Flere arbejdere, der arbejder, får muligvis ikke mere arbejde, myrer (og robotter) viser

For myrer og robotter, der opererer i trange rum som tunneler, at have flere medarbejdere betyder ikke nødvendigvis at få mere arbejde udført. Ligesom for mange kokke i et køkken kommer i vejen for hinanden, at have for mange robotter i tunneler skaber træsko, der kan standse arbejdet.

En undersøgelse offentliggjort 17. august i tidsskriftet Videnskab viser, at i brandmyrkolonier, et lille antal arbejdere graver mest, lader de andre myrer se noget mindre end flittige ud. Til gravning af redetunneler, denne mindre travle tilgang får arbejdet udført uden myr -trafikpropper - hvilket sikrer jævn udgravningsstrøm. Forskere fandt ud af, at anvendelse af myroptimeringsstrategien på autonome robotter undgår mekaniserede træsko og får arbejdet udført med mindst mulig energi.

Optimering af aktiviteten af ​​autonome underjordiske robotter kan være nyttig til opgaver som katastrofeoprettelse, minedrift eller endda grave underjordiske læ for fremtidige planetopdagere. Forskningen blev støttet af National Science Foundation's Physics of Living Systems -program, Army Research Office og Dunn Family Professorship.

"Vi lagde mærke til, at hvis du har 150 myrer i en beholder, kun 10 eller 15 af dem vil faktisk grave i tunnellerne på et givet tidspunkt, "sagde Daniel Goldman, en professor på School of Physics ved Georgia Institute of Technology. "Vi ville vide hvorfor, og for at forstå, hvordan fysikkens grundlæggende love kan virke. Vi fandt en funktionel, samfundsfordel for denne tilsyneladende ulighed i arbejdsmiljøet. Uden det, grave bliver bare ikke gjort."

Ved at overvåge aktiviteterne i 30 myrer, der var blevet malet for at identificere hver enkelt, Goldman og kolleger, herunder tidligere postdoktor Daria Monaenkova og ph.d. studerende Bahnisikha Dutta, opdagede, at kun 30 procent af myrerne lavede 70 procent af arbejdet - en ulighed, der ser ud til at holde arbejdet nynne lige ved siden af. Imidlertid, det er tilsyneladende ikke fordi de travleste myrer er de mest kvalificerede. Da forskerne fjernede de fem hårdest arbejdende myrer fra redenbeholderen, de så ingen produktivitet, da de resterende 25 fortsatte med at grave.

At have rede er afgørende for at fyre myrer, og hvis en koloni fortrænges - af en oversvømmelse, for eksempel - det første, myrerne vil gøre, når de når tørt land, er at begynde at grave. Deres tunneler er smalle, knap bred nok til at to myrer kan passere, en designfunktion, der antages at give bevægelsesfordele i udviklingen af ​​lodrette tunneler. Stadig, myrerne ved, hvordan de undgår at skabe træsko ved at trække sig tilbage fra tunneler, der allerede er besat af andre arbejdere - og nogle gange ved ikke at gøre noget meget overhovedet.

For at undgå træsko og maksimere graven i fravær af en leder, robotter bygget af Goldmans kandidatstuderende Vadim Linevich blev programmeret til at fange aspekter af de gryende og tilbagetrækende myrer. Forskerne fandt ud af, at så mange som tre robotter kunne arbejde effektivt i en smal vandret tunnel, der gravede 3D-trykte magnetiske plastikbolde, der simulerede klæbrig jord. Hvis en fjerde robot kom ind i tunnelen, imidlertid, der producerede en træsko, der stoppede arbejdet fuldstændigt.

"Da vi satte fire robotter ind i et begrænset miljø og forsøgte at få dem til at grave, de stak straks op, sagde Goldman, hvem er Dunn Family Professor på Fysikskolen. "Mens jeg observerede myrerne, vi var overraskede over at se, at enkeltpersoner nogle gange ville gå til tunnelen, og hvis de stødte på selv en lille mængde tilstopning, de ville bare vende om og trække sig tilbage. Når vi sætter disse regler i kombinationer med robotterne, der skabte en god strategi for hurtigt at grave med lave mængder energiforbrug pr. robot. "

Eksperimentelt, forskergruppen testede tre potentielle adfærd for robotterne, som de kaldte "ivrige, "" vending "eller" doven. "Brug af den ivrige strategi, alle fire robotter kastede sig ud i arbejdet - og satte sig hurtigt i klemme. I omvendelsesadfærden, robotter opgav og vendte sig om, da de stødte på forsinkelser på arbejdsstedet. I den dovne strategi, dawdling blev opmuntret.

"Ivrig er den bedste strategi, hvis du kun har tre robotter, men hvis du tilføjer en fjerde, den adfærdstanker, fordi de kommer i vejen for hinanden, "sagde Goldman." Tilbageførsel giver relativt fornuftig og fornuftig grave. Det er ikke den hurtigste strategi, men der er ingen syltetøj. Hvis du ser på den forbrugte energi, doven er det bedste kursus." Analyseteknikker baseret på glasagtige og underkølede væsker, ledet af tidligere ph.d. studerende Jeffrey Aguilar, gav indblik i, hvordan de forskellige strategier afbødede og forhindrede tilstopningsdannende klynger.

For at forstå, hvad der foregik og eksperimentere med parametrene, Goldman og kolleger - herunder Will Savoie, en Georgia Tech Ph.D. studerende, Forskningsassistent Hui-Shun Kuan og professor Meredith Betterton fra School of Physics ved University of Colorado i Boulder-brugte computermodellering kendt som mobilautomater, der har ligheder med den måde, hvorpå trafikingeniører modellerer bevægelse af biler og lastbiler på en motorvej.

"På motorveje, for få biler giver ikke meget flow, mens for mange biler skaber et stop, "Sagde Goldman." Der er et mellemliggende niveau, hvor tingene er bedst, og det kaldes det grundlæggende diagram. Fra vores modellering, vi lærte, at myrerne arbejder lige på toppen af ​​diagrammet. Den rigtige blanding af ulige arbejdsfordelinger og vendingsadfærd har fordelen ved at holde dem i bevægelse med maksimal effektivitet uden jamming."

Forskerne brugte robotter designet og bygget til forskningen, men de matchede ikke myrernes evner. Myrerne er fleksible og robuste, i stand til at klemme sig forbi hinanden i rammer, der ville få de ufleksible robotter til at klemme. I nogle tilfælde, robotterne i Goldmans laboratorium beskadigede endda hinanden, mens de kastede sig i position til at grave.

Forskningsresultaterne kan være nyttige til rumforskning, hvor tunneler kan være nødvendige for hurtigt at afskærme mennesker mod nærliggende støvstorme eller andre trusler. "Hvis du var en robotsværm på Mars og havde brug for at grave dybt i en fart for at komme væk fra støvstorme, denne strategi kan hjælpe med at give husly uden at have perfekt information om, hvad alle lavede, "Forklarede Goldman.

Ud over de potentielle robotapplikationer, værket giver indsigt i myrernes komplekse sociale færdigheder og bidrager til forståelsen af ​​aktivt stof.

"Myrer, der lever i komplekse underjordiske miljøer, skal udvikle sofistikerede sociale regler for at undgå de dårlige ting, der kan ske, når man har mange individer i et overfyldt miljø, "Sagde Goldman." Vi bidrager også til at forstå fysikken i opgaveorienteret aktivt stof, sætte mere eksperimentel viden ind i fænomen som sværme. "