ТПС: Колониите на мравките вдъхновяват роботиката от следващо поколение и изследванията на самоизграждащите се структури

Израелски учени са открили нови данни за това как колониите на мравките тъкачки координират мащабна "строителна" дейност, като показват, че впечатляващите им способности за изграждане на гнезда могат да имат приложение в роботиката, инженерните науки и проектирането на сложни системи, предаде израелската новинарска агенция ТПС.
В тропическите гори на Северна Австралия мравки тъкачки изграждат мравуняци високо в короните на дърветата, вместо под земята. Те събират листа и ги оформят в кухи сферични структури, като ги "зашиват“ с коприна, произведена от техните ларви. Освен това мравки свързват телата си във вериги, които служат като временни инструменти, за да местят и да оформят листата за гнездото чрез координирана сила.
Работата на мравките се основава на прости правила, физични ограничения и силно колективно поведение, а не от централизирано планиране. За да изследват този процес в детайли, проф. Офер Файнерман и д-р Ехуд Понио от Института "Вайцман“ (Weizmann Institute of Science) са пътували до Таунсвил, в Северна Австралия, където са подложили цели колонии за лабораторно наблюдение.
"Всяка колония от мравки тъкачки в тропическите гори може да обхваща десетки гнезда и няколко дървесни корони на височина от десетки метри“, казва Файнерман. "Но има само една царица - намирането ѝ е толкова трудно, колкото да откриеш един конкретен човек в целия Тел Авив“. Изследователите са се фокусирали върху по-малки колонии в млади дървета, за да направят наблюдението възможно.
Резултатите, публикувани в научното списание "Кърънт Байолъджи“ (Current Biology), помагат да се обясни как обществата на насекоми могат надеждно да решават сложни инженерни задачи, без отделните индивиди да притежават „интелект“ в традиционния смисъл.
Работата на терен се оказва трудна. Мравките тъкачки се защитават агресивно, като хапят и отделят киселина, което налага използването на защитни костюми. В един момент дори една колония е избягала по време на транспортиране, което е принудило екипа да започне да я събира отначало.
В лабораторията екипът е изградил контролирана среда с 52 синхронизирани 4K камери, която симулира клон с четири изкуствени листа. Това им е позволило да наблюдават стотици мравки, изграждащи гнезда при внимателно променящи се геометрични параметри.
Едно от ключовите открития е, че мравките последователно използват два различни вида "живи инструменти“. Вериги от мравки действат като "ципове“, които постепенно придърпват листата едно към друго, докато висящи вериги служат като "тежести“, огъващи листата в желаната композиция. Това не са случайни форми, а повтарящи се функционални структури, които възникват по време на строежа и изпълняват конкретни механични функции.
Най-важният резултат обаче не са самите "инструменти“, а начинът, по който те се координират.
Когато изследователите са променили ъглите на листата, така че да има няколко възможни посоки за изграждане на гнездото, те са очаквали объркване или непоследователни резултати. Вместо това мравките последователно избягват конфликти, като следват проста последователност: първо завършват една стабилна връзка и едва след това разширяват строежа към други листа. Този поетапен подход предотвратява възникването на сили на противодействие и насочва цялата система в една обща посока.
Според учените това поведение показва, че онова, което изглежда като сложно "взимане на решения“, всъщност е възникващо правило за координация, което предотвратява нестабилност в критични моменти. Мравките не "решават“ геометрията предварително; вместо това системата се самостабилизира чрез локални взаимодействия, които по естествен път елиминират взаимноизключващи се фигури.
Друго важно заключение е, че голяма част от окончателната структура може да се определя не толкова от поведението, колкото от самата физика. Понеже листата имат елипсовидна форма, свързването на краищата им естествено води до затворена сфера. В този смисъл мравките действат в рамките на силни геометрични ограничения, които насочват резултата към стабилна и здрава структура, независимо от по-високо равнище на "намерение“.
Като цяло изследването предлага различен начин за разбиране на колективния интелект. Колонията не разчита на централизирано планиране или на сложни вътрешни модели. Вместо това стабилните резултати възникват от взаимодействието между прости поведенчески правила, последователна координация и физическите ограничения на средата.
Резултатите дават насоки за създаване на децентрализирани системи, особено в роевата роботика и инженерните системи. Те показват как рояци от роботи биха могли да изграждат структури без централизиран контрол, като следват прости локални правила и ясна последователност на действията. Стратегията на мравките - първо да завършат една връзка, преди да започнат друга - може да помогне за избягване на конфликти в системи, в които много участници действат едновременно.
Изследването подчертава и значението на физическите ограничения като част от решението. Тъй като мравките използват формата на листата, за да създават здрави сферични гнезда, това подсказва, че инженерите могат да проектират материали и среди, в които физиката върши голяма част от работата. Този подход може да се приложи в меката роботика, леките конструкции и адаптивните материали, където стабилността възниква от формата и силите, а не от детайлно планиране.
"В днешно време се опитваме да променяме разположението на листата, за да поставим предизвикателства за мравките“, казва Файнерман. "Въпреки това колонията отново и отново успява да решава сложни задачи, (…) което подсказва за доста развити когнитивни способности, заложени в социалното поведение“, завърши той.
(Тази информация се разпространява по споразумение между БТА и ТПС)