Formskiftende ormeklat-model kunne inspirere fremtidige robotsværme

Sortorme (Lumbriculus variegatus) er fjerne slægtninge til regnorme, måler op til 10 cm lang. De lever i lavvandede moser, damme, og sumpe i Europa og Nordamerika, hvor de lever af mikroorganismer og affald. For at beskytte sig mod tørke, sortorme kan samle sig som sammenfiltrede, formskiftende "klatter" sammensat af nogle få til hundredvis af individer. Ligesom bisværme, flåder af ildmyrer, eller flokke af stære, ormeklatter kan vise "intelligent" kollektiv bevægelse.

Nu, videnskabsmænd viser, at effektiv kollektiv bevægelse kun kan opstå i sortormklatter, når forholdene er helt rigtige – især når der er balance mellem aktiviteten og "klæberen" hos de enkelte sortorme. De har for nylig offentliggjort deres resultater som open access i tidsskriftet Grænser i fysik.

"Mens individuelle orme i klatten skal klamre sig til hinanden, de skal også være tilgængelige udefra for at blive ved med at modtage information fra det bredere miljø, " sagde førsteforfatter Dr. Chantal Nguyen, en postdoc forsker ved BioFrontiers Institute ved University of Colorado i Boulder, OS.

"Hvad er den bedste balance mellem disse modsatrettede krav, hvilket ville give ormene et optimalt niveau af sansning og respons på miljøet som en helhed? For at finde denne balance, vi lavede et sæt eksperimenter på rigtige sortorme for at skabe en realistisk model af en ormeklat."

At finde den rigtige temperatur

Hvorfor er ormeklatter vigtige at studere? Årsagen ligger netop i deres sociale organisering på tværs af flere niveauer.

Interaktioner mellem individuelle sortorme kan give uventede, nye egenskaber, når de bevæger sig som en klat. Sådanne "emergent" egenskaber er et træk ved biologiske systemer, fra proteiner til flercellede organismer til økosystemer. Derfor, klatter er ikke kun fascinerende i sig selv, men kan også tjene som model for lignende systemer, der er for små eller for store til let at observere, for eksempel de semi-fleksible actinfilamenter i cytoskelettet, cilia, og flageller af celler.

"Aktive biopolymerer og aktinfilamenter er gode eksempler på såkaldte 'sammenfiltrede aktive stofkollektiver' ' som er et varmt emne inden for robotteknologi og materialevidenskab, " sagde medforfatter Dr. M. Saad Bhamla, en assisterende professor ved Georgia Institute of Technology, i Atlanta, OS.

For at studere sortormes reaktion på miljøændringer, Nguyen og andre forskere registrerede bevægelsen af ​​individuelle sortorme i vandbade, hvis temperatur gradvist steg fra 12 til 34 ºC. Op til 30 ºC, ormene havde en tendens til at udforske badet, søger dens mure og bevæger sig så langs dem. Ved højere temperaturer, skader deres fysiologi, orme holdt sig for det meste stille.

Test af en digital ormeklat

Forskerne simulerede derefter den individuelle og kollektive adfærd af sortorme i en computermodel, begrænser klatter til kun to dimensioner for nemheds skyld. De programmerede ormene til at opføre sig som molekyler:frastødende kontra at tiltrække hinanden på meget tætte afstande versus moderate afstande, og ikke interagerer på større afstande. Isolerede orme blev programmeret til at udforske mere ved lave temperaturer. Fleksibiliteten mellem deres kropssegmenter var indstillet til moderat, hvilket resulterer i, at modelormene strækker sig ud ved lave temperaturer, men vikler sig sammen ved højere temperaturer.

Forskerne viser, at vedvarende kollektiv bevægelse af sortormklatter kun kan opstå, når der er en fin balance mellem ormenes "klæbelighed" og deres individuelle bevægelse, så klatterne bliver sammen, når de bevæger sig for at opsøge koldere steder. Omkring denne optimale balance, modelklatter flyttes med en hastighed på 1 mm/s i gennemsnit, men langsommere for større klatter.

"Da vi ændrede parametrene, især tiltrækningen mellem orme og styrken af ​​individuel selvfremdrift, vi observerede tre brede adfærdstilstande:En hvor kollektiv bevægelse konsekvent forekommer, en anden hvor klatter falder fra hinanden, og til sidst en, hvor orme klæber sig så stærkt til hinanden, at klatter ikke kan bevæge sig, " sagde medforfatter Dr. Orit Peleg, en adjunkt i datalogi ved BioFrontiers Institute.

"Rigtige sortorme viser også disse, hvilket betyder, at vores model - på trods af sin enkelhed - fanger meget af kompleksiteten af ​​den virkelige organisme."

"Vi håber, at vores nuværende resultater kan anvendes til design af nye robotsystemer, hvor individuelle bløde og fleksible robotter kan vikle sig ind og bevæge sig som en enhed. En anden mulig anvendelse ville være i 'konstruerede levende materialer,' ' såsom byggematerialer eller stoffer, som er sammensat af autonome enheder, der kan omorganisere sig selv med henblik på reparation eller til at reagere på miljøet, " konkluderede Bhamla.