Колонии огненных муравьев могут вдохновить молекулярные машины и рои роботов
Исследователи из Колорадского университета в Боулдере раскрыли статистические правила, по которым гигантские колонии огненных муравьев (Solenopsis invicta) формируют мосты, лестницы и плавающие плоты.
Работа, опубликованная в Journal of the Royal Society Interface, исследует принципы, лежащие в основе этих гибких структур из тел насекомых, способных менять форму и консистенцию за секунды. Команда под руководством Франка Вернери использовала статистическую механику, чтобы рассчитать, как колонии реагируют на внешние нагрузки, меняя способ сцепления с соседями на основе ключевых пороговых значений.
Такие динамические сети встречаются и в других природных системах, включая клетки человеческого тела, способные к самовосстановлению и росту.
Муравьиная армада
Колонии огненных муравьев известны своей способностью формировать плавающие плоты, что наблюдалось, например, после урагана «Харви» в Техасе в 2017 году. Хотя у отдельных муравьев простой мозг, колония демонстрирует удивительно разумное поведение — свойство, которое ученые хотели бы воспроизвести при создании новых полимеров и роев роботов.
Статистический танец
Эксперименты ученых из Технологического института Джорджии показали, что гибкость колонии поддерживается за счет быстрого «танца»: отдельный муравей цепляется за соседей липкими подушечками на лапках, но при этом меняет хватку, перехватываясь за другого соседа в среднем каждые 0.7 секунды.
Математический анализ поведения сотен и тысяч муравьев как единой системы выявил ключевые закономерности:
- При увеличении внешней силы муравьи ускоряют «смену партнеров».
- Если сила на лапку муравья превышает восемь весов его тела, скорость перехвата удваивается.
- Это объясняет, почему колонии ведут себя как псевдопластичные (shear-thinning) жидкости — материалы, которые становятся менее вязкими под нагрузкой (как краска при перемешивании).
Однако при дальнейшем росте нагрузки муравьи не успевают адаптироваться и перестают отпускать соседей, цепляясь «изо всех сил». В этот момент колония ведет себя как твердое тело, пока в конечном итоге не разрушается.
Исследователи отмечают, что лишь начали изучать математику муравьиных колоний, но их расчеты уже достаточно общие, чтобы применять их для проектирования новых динамических сетей, включая молекулярные машины для доставки лекарств прямо в клетки.