По отдельности калифорнийские черные черви живут ничем не примечательной жизнью, поедая микроорганизмы в прудах и служащие кормом для тропических рыб для любителей аквариумов. Но вместе десятки, сотни или тысячи сантиметровых существ могут объединиться, чтобы сформировать «капли червя», изменяющую форму живую жидкость, которая коллективно защищает своих членов от высыхания и помогает им избежать таких опасностей, как чрезмерная жара.
В то время как другие организмы образуют коллективные стаи, стаи или рои для таких целей, как спаривание, хищничество и защита, черви Lumbriculus variegatus необычны своей способностью сплетаться вместе для выполнения задач, которые отдельные особи не могут. Новое исследование, проведенное исследователями из Технологического института Джорджии, описывает, как черви самоорганизуются, чтобы действовать как запутанная «активная материя», создавая удивительное коллективное поведение, принципы которого были применены, чтобы помочь каплям простых роботов развить их собственное передвижение.
Исследование, проведенное при поддержке Национального научного фонда и Военного исследовательского бюро, было опубликовано 5 февраля в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. Результаты работы могут помочь разработчикам роевых роботов понять, как эмерджентное поведение запутанной активной материи может привести к неожиданному, сложному и потенциально полезному механическому поведению.
Коллективное поведение в Worms
Искра для исследования возникла несколько лет назад в Калифорнии, где Саад Бхамла был заинтригован каплями червей, которых он видел в пруду на заднем дворе.
«Нам было любопытно, почему эти черви образуют эти живые капли», - сказал Бхамла, доцент Школы химической и биомолекулярной инженерии Технологического института Джорджии.«Теперь мы показали с помощью математических моделей и биологических экспериментов, что формирование капель обеспечивает своего рода коллективное принятие решений, которое позволяет червям в больших каплях дольше выживать против высыхания. Мы также показали, что они могут двигаться вместе, коллективное поведение, которое не совершаемые любыми другими известными нам организмами в макромасштабе».
Такое коллективное поведение в живых системах представляет интерес для исследователей, изучающих способы применения принципов живых систем к системам, разработанным человеком, таким как роевые роботы, в которых люди также должны работать вместе для создания сложного поведения.
«Коллектив червячных капель обладает способностями, которые превосходят возможности отдельных людей, что является прекрасным примером биологического возникновения», - сказал Дэниел Голдман, профессор семьи Данн в Школе физики Технологического института Джорджии, изучающий физика живых систем.
Почему черви образуют капли
Система червей-капель была тщательно изучена Ясмин Озкан-Айдин, научным сотрудником лаборатории Голдмана. Используя связки червей, которые она первоначально заказала в калифорнийской компании по снабжению аквариумами, а теперь выращивает в лабораториях Технологического института Джорджии, Озкан-Айдин провела с червями несколько экспериментов. Среди них разработка «гимназии для червей», которая позволяла ей измерять силу отдельных червей - знания, важные для понимания того, как небольшое количество существ может перемещать целую каплю.
Она начала с того, что достала червей из воды и понаблюдала за их поведением. Сначала они поодиночке начали искать воду. Когда эти поиски не увенчались успехом, они сформировали шарик в форме шара, в котором люди по очереди находились на внешней поверхности, открытой для воздуха, где происходило испарение - поведение, как она предположила, должно было уменьшить влияние испарения на коллектив. Изучая капли, она узнала, что черви в капле могут выживать вне воды в 10 раз дольше, чем отдельные черви.
«Они, безусловно, хотели бы уменьшить высыхание, но способ, которым они это сделают, не очевиден и указывает на своего рода коллективный разум в системе», - сказал Голдман.«Это не просто машины для минимизации поверхности. Они стремятся использовать хорошие условия и ресурсы».
Использование BLOB-объектов для защиты от угроз
Озкан-Айдын также изучал, как капли червей реагируют как на температурные градиенты, так и на интенсивный свет. Черви нуждаются в определенном диапазоне температур, чтобы выжить, и им не нравится интенсивный свет. Когда каплю помещали на нагретую пластину, она медленно перемещалась от более горячей части пластины к более холодной части и при интенсивном освещении образовывала плотно переплетенные капли. Черви, по-видимому, разделили ответственность за движение: некоторые люди тянули шарик, а другие помогали поднимать агрегацию, чтобы уменьшить трение.
Как и в случае с испарением, коллективная деятельность повышает шансы на выживание для всей группы, которая может варьироваться от 10 до 50 000 червей.
«Для отдельного червя, который переходит от горячего к холодному, выживание зависит от случая», - сказал Бхамла.«Когда они движутся как капля, они двигаются медленнее, потому что им приходится координировать механику. Но если они движутся как капля, 95% из них попадают на холодную сторону, поэтому принадлежность к капле дает много преимуществ для выживания».
A Worm Gymnasium
Исследователи отметили, что для перетаскивания шарика из 15 червей требовалось всего два или три червя-«вытягивателя». Это заставило их задуматься о том, насколько сильны эти существа, поэтому Озкан-Айдин создала ряд шестов и консолей, с помощью которых она могла измерять силы, прилагаемые отдельными червями. Этот «тренажерный зал для червей» позволил ей оценить, как съемщики справляются со своей работой.
«Когда черви счастливы и остывают, они вытягиваются и хватаются головой за один из столбов и тянутся к нему», - сказал Бхамла. «Когда они тянут, вы можете увидеть отклонение кантилевера, к которому были прикреплены их хвосты. Ясемин смогла использовать известные веса для калибровки сил, создаваемых червями. Измерение силы показывает, что отдельные черви обладают большой силой."
Некоторые черви были сильнее других, и по мере повышения температуры их желание тренироваться в спортзале снижалось.
Применение принципов червя к роботам
Озкан-Айдин также применил принципы, наблюдаемые в червях, к небольшим роботизированным каплям, состоящим из «умных активных частиц», шести роботов, напечатанных на 3D-принтере, с двумя руками и двумя датчиками, позволяющими им ощущать свет. Она добавила к рукам сетчатый корпус и булавки, которые позволяли этим «маленьким штукам» запутываться, как черви, и тестировала различные походки и движения, которые можно было запрограммировать в них.
«В зависимости от интенсивности роботы пытаются отойти от света», - сказал Озкан-Айдын. «Они генерируют эмерджентное поведение, похожее на то, что мы видели у червей».
Она отметила, что между роботами не было связи. «Каждый робот делает свое дело децентрализованно», - сказала она. «Используя только механическое взаимодействие и притяжение каждого робота к интенсивности света, мы могли управлять каплей робота».
Измеряя потребление энергии отдельным роботом, когда он выполнял разные движения (покачивание и ползание), она определила, что при покачивающей походке потребляется меньше энергии, чем при ползании. Исследователи ожидают, что, используя дифференциацию походки, будущие запутанные рои роботов смогут повысить свою энергоэффективность.
Расширение того, что могут делать рои роботов
Исследователи надеются продолжить изучение коллективной динамики червей-капель и применить полученные знания к рою роботов, которые должны работать вместе с минимальным общением для выполнения задач, которые они не могут выполнить в одиночку. Но эти системы должны работать в реальном мире.
«Часто люди хотят, чтобы рои роботов выполняли определенные действия, но они, как правило, работают в первозданной среде с простыми ситуациями», - сказал Голдман. «С этими каплями весь смысл в том, что они работают только благодаря физическому взаимодействию между людьми. Это интересный фактор, который можно использовать в робототехнике».
Среди предстоящих задач - набор аспирантов, желающих работать с каплями-червями, консистенция которых напоминает тесто для хлеба.
«С червями очень приятно работать», - сказал Озкан-Айдын. «Мы можем играть с ними, и они очень дружелюбны. Но нужен человек, который очень комфортно работает с живыми системами».
Проект показывает, как биологический мир может дать информацию, полезную для области робототехники, сказала Кэтрин Диксон, программный директор Программы физиологических механизмов и биомеханики в Национальном научном фонде.
Это открытие показывает, что наблюдения за поведением животных в естественных условиях, наряду с биологическими экспериментами и моделированием, могут дать новые идеи и то, как новые знания, полученные в результате междисциплинарных исследований, могут помочь людям, например, в приложениях управления роботами. в результате этой работы», - сказала она.