Если разорять осиное гнездо - плохая идея, то уж точно плохая идея - стряхнуть пчелиный рой. Если, конечно, это не для науки.
Команда исследователей из Гарвардского университета провела месяцы, тряся и тряся рои тысяч медоносных пчел, чтобы лучше понять, как пчелы коллективно сотрудничают, чтобы стабилизировать структуры в присутствии внешних нагрузок.
Исследование опубликовано в журнале Nature Physics.
«Наше исследование показывает, как живые системы используют физику для решения сложных проблем в масштабах, намного превышающих индивидуальные», - сказал Л. Махадеван, профессор прикладной математики в Гарвардской школе инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS), профессор органической и эволюционной биологии (OEB), профессор физики и старший автор исследования. «Мы продемонстрировали, что пчелы могут использовать физические свойства окружающей среды, чтобы решить глобальную проблему механической стабильности, используя локальное восприятие и действие»
Это исследование следует за более ранней работой группы, которая показала, как пчелы могут коллективно поддерживать температуру скопления, используя локальные датчики и действия для предотвращения перегрева или переохлаждения.
Пчелиный рой формируется, когда пчелиная матка объединяется с большой группой рабочих пчел, чтобы сформировать новую колонию. Пока разведчики ищут новое место для гнезда, колония формирует живую, дышащую структуру, сделанную из их собственных тел, на ближайшей ветке дерева. Эти кластеры сохраняют свою структуру и устойчивость в течение суток при наличии ветра, дождя и других внешних нагрузок.
"Основной вопрос нашего исследования заключался в том, что, учитывая, что отдельные пчелы, вероятно, могут ощущать только свое взаимодействие со своими соседями, как они вносят изменения, чтобы поддерживать общую структуру кластера?" - говорит Орит Пелег, бывший научный сотрудник SEAS и соавтор статьи.
Пелег в настоящее время является доцентом компьютерных наук в Колорадском университете в Боулдере.
Исследователи построили пчелиный рой, прикрепив пчелиную матку в клетке к подвижной доске и подождав, пока рабочие пчелы соберутся вокруг нее. После того, как кластер был сформирован, исследователи имитировали ветер, встряхивая доску по горизонтали и вертикали.
Они заметили, что рой начинается с конусообразной структуры с определенной высотой и площадью основания. При горизонтальном встряхивании пчелы создают более плоский конус, уменьшая высоту и увеличивая площадь основания. Когда тряска прекращается, они возвращаются к своей первоначальной форме.
Пчелы знают, в какую сторону двигаться, потому что они реагируют на локальные изменения со стороны своих соседей.
«Отдельные пчелы могут определить направление напряжения, основываясь на их связи со своими соседями», - сказал Джейкоб Питерс, недавно защитивший докторскую диссертацию в области OEB и соавтор статьи. «Поскольку нагрузка на рой самая высокая в верхней части роя, где он соединяется с веткой - или, в данном случае, с доской - они знают, что нужно двигаться вверх. Все пчелы движутся вверх вместе, потому что на них влияет это. градиент, что приводит к скоординированному движению."
Представьте, что вы играете в Ring-a-Round-the-Rosy с завязанными глазами. Вы не знаете, в каком направлении движется каждый в кругу, но вы знаете, в каком направлении движется ваш сосед, потому что вы держите его за руку. Вы не знаете, когда все падают, но вы знаете, когда падать, потому что падает ваш сосед. Как пчелы в рое, вы следуете сигналам, связанным с местным напряжением, от вашего соседа.
Когда скопление сплющивается во время горизонтального сотрясения, распределение нагрузки между отдельными пчелами увеличивается, но колония в целом становится более стабильной - подобно приседанию, когда земля трясется. Исследователи смогли воспроизвести это поведение в компьютерной симуляции, установив правила на локальном уровне.
Исследователи также обнаружили, что когда пчел встряхивали вертикально, скопление не адаптировало свою форму, потому что локальные вариации деформации были меньше.
Это исследование может иметь более широкое значение для того, как мы думаем об алгоритмах управления и совместных машинах.
«Когда мы создаем машины или материалы, мы используем простые алгоритмы управления, которые работают сверху вниз, где у вас есть централизованная команда, которая управляет всеми движущимися частями машины», - сказал Питерс. «Но в этой системе пчелы достигают этого скоординированного изменения формы без центрального контроллера. Вместо этого они подобны набору распределенных агентов со своими собственными контроллерами, и им нужно найти способ координировать свои действия без явной дальней связи. Изучение этих типов систем может вдохновить на новые взгляды на распределенное управление системами в отличие от традиционного централизованного управления».