با فیزیک قایق‌های مورچه آتشین می‌توان به مهندسان در طراحی ربات‌ها کمک کرد

نوح سیل خود را در کشتی بیرون آورد. وینی پو یک چتر وارونه داشت. مورچه های آتشین ( Solenopsis invicta )، در همین حال، قایق های شناور را تشکیل می دهند که از هزاران یا حتی صدها هزار حشره منفرد تشکیل شده است.

یک مطالعه جدید توسط مهندسان دانشگاه کلرادو بولدر، قوانین ساده مبتنی بر فیزیک را ارائه می‌کند که بر نحوه شکل‌گیری این قایق‌های مورچه در طول زمان نظارت می‌کند: کوچک شدن، انبساط یا رشد برآمدگی‌های طولانی مانند خرطوم فیل. یافته‌های این تیم می‌تواند روزی به محققان کمک کند تا ربات‌هایی طراحی کنند که با هم در گروه‌ها یا مواد نسل بعدی که در آن مولکول‌ها برای رفع نقاط آسیب‌دیده مهاجرت می‌کنند، کار کنند.

نتایج اخیراً در مجله PLOS Computational Biology منتشر شده است.

فرانک ورنری، محقق اولیه این مطالعه جدید و استاد دپارتمان مهندسی مکانیک پل ام رادی، گفت: منشأ چنین رفتارهایی در قوانین نسبتاً ساده نهفته است. مورچه‌های مجرد آنقدرها هم که فکر می‌کنید باهوش نیستند، اما در مجموع تبدیل به جوامع بسیار باهوش و انعطاف‌پذیری می‌شوند. 

مورچه های آتشین این حباب های شناور غول پیکر از حشرات چرخان را پس از طوفان در جنوب شرقی ایالات متحده تشکیل می دهند تا از آب های خروشان جان سالم به در ببرند. 

ورنری و نویسنده اصلی رابرت واگنر در آخرین مطالعه خود از شبیه سازی ها یا مدل های ریاضی استفاده کردند تا مکانیک زیربنای این قایق های نجات را کشف کنند. برای مثال، آنها کشف کردند که هر چه مورچه ها در یک قایق سریعتر حرکت کنند، آن قایق ها بیشتر به سمت بیرون منبسط می شوند و اغلب برآمدگی های طولانی را تشکیل می دهند.

واگنر، دانشجوی فارغ التحصیل رشته مهندسی مکانیک، می گوید: «این رفتار اساساً می تواند خود به خود رخ دهد. لزوماً نیازی به تصمیم گیری مرکزی توسط مورچه ها نیست.

زمان تردمیل

واگنر و ورنری تقریباً به طور تصادفی اسرار قایق های مورچه ای را کشف کردند. 

در یک مطالعه جداگانه که در سال 2021 منتشر شد، این دو نفر هزاران مورچه آتشین را در یک سطل آب با یک میله پلاستیکی در وسط انداختند – مانند یک نی تنها در وسط آب های طوفانی. سپس منتظر ماندند.

واگنر گفت: “ما آنها را تا هشت ساعت در آنجا رها کردیم تا تکامل طولانی مدت این قایق ها را مشاهده کنیم.” چیزی که ما در نهایت دیدیم این است که رافت ها شروع به تشکیل این رشد کردند.

به جای اینکه در طول زمان به همان شکل باقی بمانند، ساختارها فشرده می شوند و دایره های متراکمی از مورچه ها را تشکیل می دهند. در نقاط دیگر، حشرات مانند خمیر کلوچه روی یک تابه بیرون می‌آیند، حتی ضمیمه‌های پل مانند می‌سازند.

این گروه گزارش داد که به نظر می‌رسد مورچه‌ها این تغییرات شکل را از طریق فرآیند «تردمیل» تعدیل می‌کنند. همانطور که واگنر توضیح داد، هر قایق مورچه ای از دو لایه تشکیل شده است. در قسمت پایین، می توانید مورچه های “ساختاری” را پیدا کنید که محکم به یکدیگر می چسبند و پایه را تشکیل می دهند. در بالای آنها لایه دومی از مورچه ها وجود دارد که آزادانه در بالای همتایان خود در کلنی راه می روند. 

در طی چند ساعت، مورچه‌ها از پایین ممکن است به سمت بالا بخزند، در حالی که مورچه‌های رومینگ آزاد پایین می‌افتند تا بخشی از لایه ساختاری شوند.

واگنر گفت: «کل چیز مانند یک تردمیل دونات شکل است.

پل به ایمنی

در مطالعه جدید، او و ورنری می‌خواستند بررسی کنند که چه چیزی باعث چرخش تردمیل می‌شود.

برای انجام این کار، تیم مجموعه‌ای از مدل‌ها را ایجاد کرد که اساساً یک قایق مورچه‌ای را به یک بازی چکرز پیچیده تبدیل کردند. محققان تقریباً 2000 ذره گرد یا “عامل” را برنامه ریزی کردند تا به جای مورچه ها قرار گیرند. این ماموران نمی‌توانستند برای خودشان تصمیم بگیرند، اما از یک سری قوانین ساده پیروی می‌کردند: برای مثال، مورچه‌های جعلی دوست نداشتند با همسایگان خود برخورد کنند و سعی می‌کردند از افتادن در آب جلوگیری کنند. 

هنگامی که آنها اجازه دادند بازی به پایان برسد، واگنر و ورنی متوجه شدند که قایق‌های مورچه‌ای شبیه‌سازی شده آنها بسیار شبیه به چیزهای واقعی رفتار می‌کنند. 

به‌ویژه، تیم توانست میزان فعال بودن عوامل را در شبیه‌سازی‌های خود تنظیم کند: آیا مورچه‌ها آهسته و تنبل بودند یا زیاد راه می‌رفتند؟ مورچه‌ها هر چه بیشتر راه می‌رفتند، احتمال بیشتری داشت که امتدادهای بلندی را ایجاد کنند که از قایق بیرون می‌آمدند – کمی شبیه افرادی که به سمت خروجی در یک استادیوم شلوغ حرکت می‌کردند.

 او گفت: «مورچه‌های نوک این برجستگی‌ها تقریباً از لبه به داخل آب رانده می‌شوند، که منجر به یک اثر فرار می‌شود.»

واگنر مشکوک است که مورچه های آتشین از این پسوندها برای احساس اطراف خود، جستجوی کنده ها یا دیگر تکه های خشکی استفاده می کنند.

محققان هنوز چیزهای زیادی در مورد قایق مورچه ای برای یادگیری دارند: مثلاً چه چیزی باعث می شود مورچه ها در دنیای واقعی تصمیم بگیرند که از حالت آرام بخش به تنبلی روی بیاورند؟ اما، در حال حاضر، ورنری می گوید که مهندسان می توانند یک یا دو چیز از مورچه های آتشین بیاموزند.

او گفت: “امیدواریم کار ما بر روی مورچه های آتشین به ما کمک کند تا بفهمیم چگونه می توان قوانین ساده ای را برنامه ریزی کرد، مانند الگوریتم هایی که نحوه تعامل روبات ها با دیگران را دیکته می کنند تا به یک پاسخ گروهی هوشمندانه و هدفمند دست یابیم.”

– این بیانیه مطبوعاتی در ابتدا در وب سایت دانشگاه کلرادو بولدر منتشر شد