Колонии огненных муравьев помогут в создании роботов и молекулярных машин
Исследователи из Колорадского университета в Боулдере определили статистические правила, определяющие, как гигантские колонии огненных муравьев Solenopsis invicta формируют мосты, лестницы и плоты.
Команда, работавшая под руководством адъюнкт-профессора Франка Вернерея, хотела понять инженерные принципы, лежащие в основе самособирающихся структур из огненных муравьев, сообщает eurekalert.org. Насекомые могут составлять конструкции из сотен и даже тысяч особей. В частности, исследователей интересовало, как такие структуры сохраняют гибкость, меняют форму и плотность за секунды.
Исследователи использовали статистическую механику для расчета реакции колоний на внешние стрессы. Они определяли, как муравьи держатся за соседей, основываясь на ключевых пороговых значениях. Результаты могут помочь лучше понять другие «динамические сети» природы, включая человеческие клетки.
«Эти системы отвечают за способность организма восстанавливаться, — сказал Вернерей. – они позволяют нам расти. Все это происходит, так как мы состоим из материалов, взаимодействующих друг с другом и способных со временем менять форму».
Выводы проекта, представленные в Journal of the Royal Society Interface, также могут помочь инженерам в создании новых умных полимеров и роевых роботов.
«Огненные муравьи – наше биовдохновение, — сказал соавтор работы, Шанкар Лалита Шридхар. – Наша цель – сымитировать их действия, определив лежащие в основе принципы».
Команда использовала данные опытов Технологического университета Джорджии, показывающие, как колонии сохраняют гибкость за счет быстрого танца. Муравьи держатся за соседей липкими подушечками на лапках, находясь в постоянном движении. В типичной колонии насекомое может менять положение ног, хватаясь за другую особь каждые 0,7 сек.
Математические симуляции показали исследователям, что муравьи ускоряются с ростом касательного усилия. Если давление на лапки отдельной особи в 8 раз превышает ее вес, насекомое компенсирует нагрузку, меняя соседей вдвое быстрее.
«Их лапки слегка растягиваются, — объяснил Вернерей. – В результате муравей решает быстрее менять партнеров».
Но, с ростом нагрузки, насекомые перестают двигаться, намертво вцепившись в соседа и создавая твердую структуру. На определенном этапе их просто разрывает, добавил Вернерей.
Авторы признают, что только начали понимать математику колоний огненных муравьев. Но их расчеты достаточно общи, чтобы их можно было использовать для изучения дизайна динамических сетей, включая молекулярные машины для доставки лекарств прямо в клетки.
