Kollektive orme- og robotklatter beskytter individer, sværme sammen

Individuelt, Californiske sortorme lever et usædvanligt liv og spiser mikroorganismer i damme og tjener som tropisk fiskefoder for akvarieentusiaster. Men sammen, tiere, hundreder, eller tusindvis af de centimeter lange væsner kan samarbejde om at danne en "ormeklat, "en formskiftende levende væske, der kollektivt beskytter sine medlemmer mod at tørre ud og hjælper dem med at undslippe trusler såsom overdreven varme.

Mens andre organismer danner kollektive flokke, skoler, eller sværme til sådanne formål som parring, prædation, og beskyttelse, Lumbriculus variegatus-ormene er usædvanlige i deres evne til at flette sig sammen for at udføre opgaver, som ikke-forbundne individer ikke kan. En ny undersøgelse rapporteret af forskere ved Georgia Institute of Technology beskriver, hvordan ormene selv organiserer sig for at fungere som indviklet "aktivt stof, " at skabe overraskende kollektiv adfærd, hvis principper er blevet anvendt til at hjælpe klatter af simple robotter med at udvikle deres egen bevægelse.

Forskningen, støttet af National Science Foundation og Army Research Office, blev rapporteret 5. februar i journalen Proceedings of the National Academy of Sciences . Resultater fra arbejdet kan hjælpe udviklere af sværmrobotter med at forstå, hvordan fremkommet adfærd af indviklet aktivt stof kan producere uventede, kompleks, og potentielt nyttig mekanisk drevet adfærd.

Kollektiv adfærd hos orme

Gnisten til forskningen kom for flere år siden i Californien, hvor Saad Bhamla var fascineret af klatter af orme, han så i en baggårdsdam.

"Vi var nysgerrige efter, hvorfor disse orme ville danne disse levende klatter, " sagde Bhamla, en assisterende professor ved Georgia Tech's School of Chemical and Biomolecular Engineering. "Vi har nu vist gennem matematiske modeller og biologiske eksperimenter, at dannelsen af ​​klatterne giver en slags kollektiv beslutningstagning, der gør det muligt for orme i en større klat at overleve længere mod udtørring. Vi viste også, at de kan bevæge sig sammen. en kollektiv adfærd, der ikke udføres af nogen andre organismer, vi kender til på makroskalaen."

Sådan kollektiv adfærd i levende systemer er af interesse for forskere, der udforsker måder at anvende principperne for levende systemer på menneskedesignede systemer såsom sværmrobotter, hvor individer også skal arbejde sammen om at skabe kompleks adfærd.

"Ormeklatkollektivet viser sig at have evner, der er mere end hvad individerne har, et vidunderligt eksempel på biologisk fremkomst, " sagde Daniel Goldman, en Dunn familieprofessor ved Georgia Tech's School of Physics, der studerer de levende systemers fysik.

Hvorfor ormene danner klatter

Ormeklatsystemet blev grundigt undersøgt af Yasemin Ozkan-Aydin, en forskningsmedarbejder i Goldmans laboratorium. Ved at bruge bundter af orme, hun oprindeligt bestilte fra et californisk akvarieforsyningsfirma - og nu rejser i Georgia Tech labs - satte Ozkan-Aydin ormene igennem adskillige eksperimenter. Disse omfattede udvikling af et "ormegymnasium", der gjorde det muligt for hende at måle styrken af ​​individuelle orme, viden vigtig for at forstå, hvordan et lille antal af væsnerne kan flytte en hel klat.

Hun startede med at tage akvatiske orme op af vandet og se deres adfærd. Først, de begyndte hver for sig at søge efter vand. Da søgningen mislykkedes, de dannede en kugleformet klat, hvor individer skiftedes på den ydre overflade udsat for luften, hvor fordampning fandt sted - adfærd, hun teoretiserede, ville reducere virkningen af ​​fordampning på kollektivet. Ved at studere klatterne, hun lærte, at orme i en klat kunne overleve uden for vandet 10 gange længere end individuelle orme kunne.

"De ville bestemt gerne reducere udtørring, men måden, hvorpå de ville gøre dette, er ikke indlysende og peger på en slags kollektiv intelligens i systemet, " sagde Goldman. "De er ikke kun overflademinimerende maskiner. De søger at udnytte gode forhold og ressourcer."

Brug af klatter til at undslippe trusler

Ozkan-Aydin undersøgte også, hvordan ormeklatter reagerede på både temperaturgradienter og intenst lys. Ormene har brug for et bestemt temperaturområde for at overleve og kan ikke lide intenst lys. Når en klat blev placeret på en opvarmet tallerken, det bevægede sig langsomt væk fra den varmere del af pladen til den køligere del og dannede under intenst lys tæt sammenfiltrede klatter. Ormene så ud til at dele ansvaret for bevægelsen, med nogle individer, der trak klatten, mens andre hjalp med at løfte aggregeringen for at reducere friktionen.

Ligesom med fordampning, den kollektive aktivitet forbedrer chancerne for at overleve for hele gruppen, som kan variere fra 10 orme op til så mange som 50, 000.

"For en individuel orm, der går fra varm til kold, overlevelse afhænger af tilfældigheder, " sagde Bhamla. "Når de bevæger sig som en klat, de bevæger sig langsommere, fordi de skal koordinere mekanikken. Men hvis de bevæger sig som en klat, 95% af dem kommer til den kolde side, så det at være en del af klatten giver mange overlevelsesfordele."

En ormegymnastiksal

Forskerne bemærkede, at kun to eller tre "trækorme" var nødvendige for at trække en klat på 15 orme. Det fik dem til at spekulere på, hvor stærke skabningerne var, så Ozkan-Aydin skabte en række stænger og udkragninger, hvori hun kunne måle de kræfter, som individuelle orme udøver. Dette "ormegymnasium" gjorde det muligt for hende at værdsætte, hvordan trækkerne formåede at udføre deres arbejde.

"Når ormene er glade og seje, de strækker sig ud og tager fat i en af ​​stængerne med deres hoveder, og de trækker i den, " sagde Bhamla. "Når de trækker, du kan se afbøjningen af ​​udkragningen, som deres haler var fastgjort til. Yasemin var i stand til at bruge kendte vægte til at kalibrere de kræfter, som ormene skaber. Kraftmålingen viser, at de enkelte orme pakker meget kraft."

Nogle orme var stærkere end andre, og efterhånden som temperaturen steg, deres vilje til at træne i fitnesscenteret faldt.

Anvendelse af ormeprincipper på robotter

Ozkan-Aydin anvendte også principperne observeret i ormene på små robotklatter sammensat af "smarte aktive partikler, " seks 3-D-printede robotter med to arme og to sensorer, der gør det muligt for dem at føle lys. Hun tilføjede et netindkapsling og stifter til armene, der gjorde det muligt for disse "smarticles" at blive viklet ind som ormene og testede en række gangarter og bevægelser, der kunne programmeres ind i dem.

"Afhængig af intensiteten, robotterne forsøger at bevæge sig væk fra lyset, "Ozkan-Aydin sagde. "De genererer emergent adfærd, der ligner det, vi så i ormene."

Hun bemærkede, at der ikke var nogen kommunikation mellem robotterne. "Hver robot gør sine egne ting på en decentral måde, " sagde hun. "Ved blot at bruge den mekaniske interaktion og den tiltrækning, hver robot havde for lysintensitet, vi kunne kontrollere robotklatten."

Ved at måle energiforbruget for en individuel robot, når den udførte forskellige gangarter (vrikke og kravle), hun fastslog, at vrikkegangen bruger mindre kraft end kravlegangen. Forskerne forudser, at ved at udnytte gangdifferentiering, fremtidige sammenfiltrede robotsværme kan forbedre deres energieffektivitet.

Udvider, hvad robotsværme kan

Forskerne håber at kunne fortsætte deres undersøgelse af ormeklatternes kollektive dynamik og anvende det, de lærer, på sværmerobotter, som skal arbejde sammen med lidt kommunikation for at udføre opgaver, som de ikke kunne klare alene. Men de systemer skal kunne fungere i den virkelige verden.

"Ofte ønsker folk at få robotsværme til at gøre specifikke ting, men de har en tendens til at fungere i uberørte miljøer med simple situationer, " sagde Goldman. "Med disse klatter, hele pointen er, at de kun virker på grund af fysisk interaktion mellem individerne. Det er en interessant faktor at bringe ind i robotteknologi."

Blandt de kommende udfordringer er at rekruttere kandidatstuderende, der er villige til at arbejde med ormeklatter, som har konsistens som brøddej.

"Ormene er meget rare at arbejde med, " sagde Ozkan-Aydin. "Vi kan spille med dem, og de er meget venlige. Men det kræver en person, der er meget komfortabel med at arbejde med levende systemer."

Projektet viser, hvordan den biologiske verden kan give indsigt til gavn for robotteknologien, sagde Kathryn Dickson, programdirektør for Physiological Mechanisms and Biomechanics Program ved National Science Foundation.

"Denne opdagelse viser, at observationer af dyrs adfærd i naturlige omgivelser, sammen med biologiske eksperimenter og modellering, kan give ny indsigt, og hvordan ny viden opnået fra tværfaglig forskning kan hjælpe mennesker, for eksempel, i robotstyringsapplikationer, der udspringer af dette arbejde, " hun sagde.