Hvilket bundt summende bier kan lære ingeniører om robotmaterialer

Samlet inde i et lille skur midt på en fredfyldt eng, mine kolleger og jeg er ved at dreje på kontakten for at starte en tilsyneladende banal procedure:at bruge en motor til at ryste en træplade. Men under denne tavle, vi har en sværm på omkring 10, 000 honningbier, klamrer sig til hinanden i en enkelt storslået pulserende kegle.

Mens vi deler et sidste blik af begejstret bekymring, sværmen, bogstaveligt talt en del af levende materiale, begynder at bevæge sig til højre og venstre, ryster som gelé.

Hvem ved deres rette sind ville ryste en honningbisværm? Mine kolleger og jeg studerer sværme for at uddybe vores forståelse af disse essentielle bestøvere, og også for at se, hvordan vi kan udnytte denne forståelse i verden af ​​robotmaterialer.

Mange bier skaber én sværm

Sværmene i vores undersøgelse opstår som en del af de europæiske honningbikoloniers reproduktionscyklus. Når antallet af bier overstiger de tilgængelige ressourcer, normalt om foråret eller sommeren, en koloni deler sig i to grupper. En gruppe, og en dronning, flyve væk på jagt efter et nyt permanent sted, mens resten af ​​bierne bliver tilbage.

Under den indsats, de flyttende bier danner midlertidigt en meget tilpasningsdygtig sværm, der kan hænge fra grene, tage, hegn eller biler. Mens suspenderet, de har ingen rede til at beskytte dem mod elementerne. Når de samles, kan de minimere varmetabet til det koldere udendørs miljø. De skal også i realtid tilpasse sig temperaturvariationer, regn og blæst – som alle kunne knuse den skrøbelige beskyttelse, de deler som én enhed.

Sværmen er størrelsesordener større end størrelsen af ​​en individuel bi. En bi kunne potentielt koordinere sin aktivitet med nabobier lige ved siden af, men den kunne bestemt ikke koordinere direkte med nogen bier i den yderste kant af sværmen.

Så hvordan formår de at opretholde mekanisk stabilitet over for noget som stærk vind - en test, der kræver næsten samtidig koordination gennem hele sværmen?

Mine kolleger Jacob Peters, Mary Salcedo, L. Mahadevan og jeg udtænkte en række eksperimenter for at løse dette spørgsmål – hvilket bringer os tilbage til bevidst at ryste sværmen.

Individuelle handlinger, hele sværmsvar

Da vi rystede sværmen langs dens vandrette akse, bierne tilpassede formen på deres sværm og blev inden for få minutter bredere, mere stabil kegle. Imidlertid, når bevægelsen var lodret, formen forblev konstant indtil en kritisk kraft blev nået, der fik sværmen til at bryde fra hinanden.

Hvorfor reagerede bierne på vandret rysten, men ikke til lodret rystelse? Det hele handler om, hvordan de bånd, bier skaber ved at "holde i hånd", bliver strakt.

Det viser sig, at lodret rystning ikke forstyrrer disse parbindinger så meget, som vandret rystning gør. Ved hjælp af en beregningsmodel, vi viste, at bindinger mellem bier, der er placeret tættere på, hvor sværmen fæstner sig til brættet, strækker sig mere end bindinger mellem bier i den yderste spids af sværmen. Bier kunne mærke disse forskellige mængder af strækning, og brug dem som et retningssignal til at bevæge sig opad og få sværmen til at brede sig.

Med andre ord, bier flytter fra steder, hvor bindinger strækker sig mindre, til steder, hvor de strækker sig mere. Denne adfærdsreaktion forbedrer den kollektive stabilitet af sværmen som helhed på bekostning af at øge den gennemsnitlige byrde, som den enkelte bi oplever. Resultatet er en slags "mekanisk altruisme", som den ene bi tåler belastning til gavn for sværmens større gavn.

Ingeniørtimer, undervist af bier

Som en bredt uddannet fysiker, der studerer dyreadfærd, Jeg er fascineret af denne form for udviklede løsninger i naturen. Det er forbløffende, at honningbier kan skabe multifunktionelle materialer – lavet af deres mange individuelle kroppe – som kan forme skift uden at en global leder fortæller dem alle, hvad de skal gøre. Ingen har ansvaret, men sammen holder de sværmen intakt.

Hvad hvis ingeniører kunne tage disse løsninger og erfaringer fra naturen og anvende dem på bygninger? I stedet for et bundt summende bier, kunne du forestille dig et bundt summende robotter, der klamrer sig til hinanden for at skabe adaptive strukturer i realtid? Jeg kan forestille mig krisecentre, der udsendes hurtigt i lyset af naturkatastrofer som orkaner, eller byggematerialer, der kan mærke et jordskælvs vibrationer og reagere på samme måde, som disse sværme reagerer på en gren i vinden.

I det væsentlige, disse bier skaber et selvstændigt materiale, der – indlejret i sig selv – har flere evner. Sværmen kan mærke information fra det nærliggende miljø, baseret på hvor meget parbindingerne strækker sig. Den kan beregne, i den forstand, at den finder ud af, hvilke regioner der har mere bindingsstrækning. Og den kan aktivere, hvilket betyder at bevæge sig i retning mod mere strækning.

Disse egenskaber er nogle af de mangeårige ambitioner inden for multifunktionelle materialer og robotmaterialer. Ideen er at kombinere overkommelige robotter, der hver har en minimal mængde af mekaniske komponenter og sensorer, ligesom M-blokkene. Sammen kan de fornemme deres lokalmiljø, interagere med naborobotter og træffe deres egne beslutninger om, hvor de skal flytte næste gang. Som Hiro, den unge robotiker i Disney-filmen "Big Hero 6" siger, "Anvendelserne til denne teknologi er ubegrænsede."

I øjeblikket, dette er stadig science fiction. Men jo flere forskere ved om honningbiernes naturlige løsninger, jo tættere vi kommer på at gøre den drøm til virkelighed.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.