Думайте об этом как о математике с укусом: исследователи из CU Boulder раскрыли статистические правила, управляющие тем, как гигантские колонии огненных муравьев (Solenopsis invicta) образуют мосты, лестницы и плавучие плоты.
В новом исследовании группа под руководством Франка Вернери из CU Boulder решила понять инженерные принципы, лежащие в основе самособирающихся структур огненных муравьев, каждая из которых содержит от сотен до тысяч насекомых или более. В частности, исследователи хотели выяснить, как эти структуры становятся такими гибкими, меняя свою форму и консистенцию за считанные секунды.
Для этого они использовали статистическую механику для расчета того, как муравьиные колонии реагируют на стресс извне, изменяя то, как они цепляются за своих соседей, на основе ключевых порогов.
Выводы могут помочь исследователям понять другие «динамические сети» в природе, включая клетки в организме человека, сказал Вернери, доцент кафедры машиностроения.
Такие сети «вот почему человеческие тела могут самоисцеляться», сказал Вернери. «Именно благодаря им мы можем расти. Все потому, что мы сделаны из материалов, которые взаимодействуют и могут со временем менять свою форму».
Исследование, опубликованное на прошлой неделе в Journal of the Royal Society Interface, также может помочь инженерам в создании новых умных полимеров и роящихся роботов, которые без проблем работают вместе.
Огненные муравьи являются «био-вдохновением», сказал Шанкар Лалита Шридхар, аспирант машиностроения в CU Boulder и соавтор нового исследования. Цель состоит в том, чтобы «подражать тому, что они делают, выясняя правила».
Команда впервые использовала результаты экспериментов Технического университета Джорджии, которые продемонстрировали, как муравьиные колонии сохраняют свою гибкость благодаря быстрому танцу. Эти эксперименты показали, что отдельные муравьи цепляются за насекомых рядом с ними, используя липкие подушечки на лапах. Но они также не остаются на месте: в типичной колонии эти муравьи могут менять положение своих ног, хватаясь за другого соседа каждые 0,7 секунды.
Исследователи из Калифорнийского университета в Боулдере обратились к математическому моделированию, чтобы вычислить, как муравьиные колонии управляют этим внутренним ча-ча-ча.
Они обнаружили, что по мере увеличения силы или сдвига, воздействующей на муравьиные колонии, насекомые набирают свою скорость. Если сила, действующая на ногу отдельного муравья, более чем в восемь раз превышает вес его тела, насекомое компенсирует это, переключаясь между своими соседями в два раза быстрее.
«Если вы начнете увеличивать скорость сдвига, вы начнете немного вытягивать их ноги», - сказал Вернери. «Их реакция будет такой: «О, нас тут напрягают, так что давайте поменяем нашу текучесть кадров».
Но если вы продолжите наращивать силу, действующую на муравьев, они больше не смогут угнаться за вами. Когда это произойдет, муравьи перестанут отпускать своих соседей, а вместо этого будут держаться изо всех сил.
«Теперь они будут в таком стрессе, что будут вести себя как твердые», - сказал Вернери. «Затем в какой-то момент вы просто их ломаете».
Исследователи объяснили, что они только что поцарапали поверхность математики колоний огненных муравьев. Но их расчеты достаточно общие, и исследователи уже могут начать использовать их для разработки новых динамических сетей, включая молекулярные машины, доставляющие лекарства непосредственно в клетки.