Algunas reglas simples determinan cómo las balsas flotantes de hormigas bravas cambian de forma con el tiempo

Las hormigas de fuego forman un bulto de una balsa de hormigas.
Zoom / Las hormigas de fuego forman un bulto de una balsa de hormigas.

Grupo de Investigación Vernerey / CU Boulder

Las hormigas de fuego son un ejemplo bíblico de comportamiento grupal, pueden actuar como individuos y también combinarse para formar balsas flotantes en respuesta a las inundaciones. Ahora, un par de ingenieros mecánicos de la Universidad de Colorado, Boulder, han identificado algunas reglas simples que parecen gobernar cómo las balsas flotantes de hormigas de fuego se contraen y expanden su forma con el tiempo, según nuevo papel Publicado en la revista PLOS Computational Biology. La esperanza es que al obtener una mejor comprensión de las reglas simples detrás del comportamiento de las hormigas rojas, puedan desarrollar mejores algoritmos que controlen cómo interactúan los enjambres de robots.

No es una cuestión de fuerza mental o de planificación cuidadosa. «Este comportamiento puede ocurrir, esencialmente, de forma espontánea», dijo el coautor Robert Wagner. «No hay necesariamente ninguna necesidad de que las hormigas tomen decisiones a nivel central». De hecho, «las hormigas solas no son tan inteligentes como uno podría pensar, pero colectivamente se convierten en comunidades muy inteligentes y resistentes». El coautor Frank Fernery dijo:.

como somos mencioné anteriormente, unas pocas hormigas bien espaciadas se comportan como hormigas individuales. Pero empaca lo suficiente juntos y se comportarán como una sola unidad, exhibiendo propiedades sólidas y líquidas. Puede formar balsas o torres, e incluso puedes verterlo de la tetera como líquido. Las hormigas de fuego también sobresalen en la organización de sus hormigas. Flujo de tráfico.

Cualquier hormiga por sí sola tiene una cierta cantidad de hidrofobia, la capacidad de repeler el agua, y esto La propiedad ha sido condensada Cuando se unen, tejen sus cuerpos como una tela impermeable. Recolectan los huevos, se abren camino hacia la superficie a través de los túneles de sus nidos y, a medida que sube el agua, se mordisquean el cuerpo con sus mandíbulas y garras, hasta que se forma una estructura plana en forma de balsa, con cada hormiga actuando como un molécula individual en una sustancia, por ejemplo, granos de arena en un montón de arena.

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Las hormigas pueden lograr esto en menos de 100 segundos. Además, la balsa de hormigas es «autorreparable»: es lo suficientemente fuerte como para que, si una hormiga se pierde aquí y allá, la estructura general pueda permanecer estable e intacta, incluso durante meses. En resumen, la balsa de hormigas es un superorganismo.

En 2019, los investigadores de Georgia Tech Pruebalo Las hormigas de fuego pueden detectar activamente los cambios en las fuerzas que actúan sobre la balsa bajo diferentes condiciones de fluidos y adaptar su comportamiento en consecuencia para mantener la balsa estable. Por ejemplo, con la fuerza de corte, el área de la balsa era mucho más pequeña que cuando las hormigas se encontraron solo con la fuerza centrífuga. Las últimas hormigas experimentan sin importar dónde se coloquen en la balsa de hormigas, mientras que solo las hormigas en el límite experimentan la fuerza de corte más fuerte. Los científicos plantearon la hipótesis de que las pequeñas balsas son el resultado de hormigas que intentan evitar estar en el límite, reduciendo el área de superficie en el proceso.

La balsa giratoria de hormigas rojas en el Laboratorio de Biocinética David Hoe en Georgia Tech es un ejemplo de comportamiento colectivo.
Zoom / La balsa giratoria de hormigas rojas en el Laboratorio de Biocinética David Hoe en Georgia Tech es un ejemplo de comportamiento colectivo.

Hangtang Koh

El equipo de Georgia Tech también notó que las hormigas bravas en una balsa están explorando más a fondo si la balsa está estacionaria o no, generalmente extendiéndose horizontalmente, pero también verticalmente, para construir estructuras temporales similares a torres con la esperanza de encontrar una rama colgante para atrapar y secar. . Tierra. Habría un comportamiento mucho menos exploratorio si la balsa de hormigas girara en respuesta a fuerzas centrífugas o de cizallamiento.

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La nueva investigación de Vernerey y Wagner se basa en estudio Publicaron el año pasado. Llevaron a cabo experimentos arrojando hordas de hormigas de fuego en un cubo de agua con una varilla de plástico vertical en el medio y luego observando el comportamiento de construcción de balsas de las hormigas durante las siguientes ocho horas. La idea era observar cómo evolucionaban las balsas a lo largo del tiempo. Tenga en cuenta que los pontones no mantuvieron su forma. A veces, las estructuras se comprimen en densos círculos de hormigas. Otras veces, las hormigas comienzan a extenderse para formar extensiones similares a puentes, a veces usándolas para escapar de los recintos, lo que sugiere que el comportamiento puede tener una ventaja evolutiva.

El dúo estaba fascinado por cómo las hormigas logran estos cambios de forma a través de un proceso que llamaron «molino». Los flotadores consisten principalmente en dos capas distintas. Las hormigas en la capa inferior tienen un propósito estructural, ya que forman la base estable de la balsa. Pero las hormigas de la capa superior se mueven libremente sobre los cuerpos adheridos a sus hermanas de la capa inferior. Las hormigas a veces se mueven de la capa inferior a la capa superior, o de la capa superior a la capa inferior en un ciclo que Wagner llama «círculo vicioso en forma de pastel».

Esquema del modelo basado en agentes.
Zoom / Esquema del modelo basado en agentes.

Wagner y Verneri, 2022

Vernerey y Wagner querían determinar si este comportamiento de la caminadora fue una decisión deliberada de las hormigas o si apareció espontáneamente. Así que idearon una serie de modelos basados ​​en factores compuestos por 2000 partículas («factores) que representaban a cada hormiga individual, confinadas a una red de nodos de agua. Un grupo de hormigas obreras (que se muestra en cian) constituía la red central estructural; el otro las hormigas obreras estaban (mostradas en rojo) son libres de moverse sobre ellas.

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Las hormigas están programadas para seguir un conjunto simple de reglas, como evitar colisiones con otras hormigas y no caer al agua («regla de deposición de borde»). Luego dejaron que la simulación jugara. Y las hormigas simuladas se comportaron de manera muy similar a sus contrapartes del mundo real.

Por ejemplo, cuando las hormigas obreras activas alcanzan el borde de la balsa y entran en contacto con el agua, evitan moverse hacia el agua a menos que las obliguen a hacerlo las hormigas obreras activas cercanas, y solo si hay suficientes hormigas que sostienen la estructura. para apoderarse de él. Las simulaciones también mostraron protuberancias en forma de puente que se formaban espontáneamente, y los investigadores pudieron correlacionar estas formaciones con la actividad relativa de las hormigas. Cuanto más activas sean las hormigas, más probable es que se empiecen a formar los bultos.

“Las hormigas en las puntas de estos espolones casi son empujadas lejos del borde hacia el agua, creando un efecto de aflojamiento rápido”, dijo Wagner. Es probable que estos afloramientos sean un medio utilizado por las hormigas de fuego en una balsa para explorar su entorno, posiblemente en busca de troncos de árboles o tierra firme.

Los autores concluyeron que, «aunque los factores clave como las feromonas no están excluidos y deben probarse en futuros estudios experimentales, este modelo generalmente plantea mecanismos locales mediante los cuales las hormigas de fuego pueden lograr un crecimiento de la marcha y la protuberancia sin un control central o una intención deliberada». Sin embargo, reconocen que se trata de un modelo homogéneo, y que es probable que haya más de un conjunto de reglas que rigen el comportamiento de las cintas de correr y la aparición de espuelas, otro foco futuro de su investigación.

DOI: Biología Computacional PLOS, 2022. 10.1371 / diario.pcbi.1009869 (Acerca de los DOI).

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