Beberapa aturan sederhana menentukan bagaimana rakit semut api terapung berubah bentuk seiring waktu

Semut api adalah contoh alkitabiah dari perilaku kelompok, mereka mampu bertindak sebagai individu dan juga bergabung bersama untuk membentuk rakit terapung dalam menanggapi banjir. Sekarang sepasang insinyur mesin dari University of Colorado, Boulder, telah mengidentifikasi beberapa aturan sederhana yang tampaknya mengatur bagaimana rakit semut api terapung berkontraksi dan memperluas bentuknya dari waktu ke waktu, menurut kertas baru Diterbitkan dalam jurnal PLOS Computational Biology. Harapannya adalah dengan memperoleh pemahaman yang lebih baik tentang aturan sederhana di balik perilaku semut api, mereka dapat mengembangkan algoritme yang lebih baik yang mengontrol cara gerombolan robot berinteraksi.

Ini bukan masalah kekuatan mental atau perencanaan yang matang. “Perilaku ini dapat terjadi, pada dasarnya, secara spontan,” kata rekan penulis Robert Wagner. “Tidak perlu ada kebutuhan untuk pengambilan keputusan sentral oleh semut.” Faktanya, “semut tunggal tidak secerdas yang dibayangkan, tetapi secara kolektif, mereka menjadi komunitas yang sangat cerdas dan tangguh,” Rekan penulis Frank Fernery berkata:.

seperti kita Saya sebutkan sebelumnya, beberapa semut dengan jarak yang baik berperilaku sebagai semut individu. Tapi bungkus cukup dari mereka bersama-sama, dan mereka akan berperilaku seperti satu unit, menunjukkan sifat padat dan cair. Itu bisa membentuk rakit atau menara, dan Anda bahkan bisa menuangkannya dari teko sebagai cairan. Semut api juga unggul dalam mengatur semutnya Arus lalu lintas.

Setiap semut sendiri memiliki sejumlah hidrofobia – kemampuan untuk menolak air – dan ini Properti telah diringkas Ketika diikat bersama, mereka menenun tubuh mereka seperti kain tahan air. Mereka mengumpulkan telur apapun, membuat jalan mereka ke permukaan melalui terowongan sarang mereka, dan saat air banjir naik, mereka akan menggigit tubuh satu sama lain dengan rahang dan cakar mereka, sampai bentuk struktur seperti rakit datar, dengan masing-masing semut bertindak seperti semut. molekul individu dalam suatu zat—katakanlah, butiran pasir dalam tumpukan pasir.

Semut dapat mencapai ini dalam waktu kurang dari 100 detik. Selain itu, rakit semut bersifat “menyembuhkan diri sendiri”: cukup kuat sehingga jika seekor semut hilang di sana-sini, struktur keseluruhannya dapat tetap stabil dan utuh, bahkan selama berbulan-bulan. Singkatnya, rakit semut adalah superorganisme.

Pada 2019, para peneliti di Georgia Tech Buktikan Itu Semut api dapat secara aktif merasakan perubahan gaya yang bekerja pada rakit di bawah kondisi fluida yang berbeda dan menyesuaikan perilakunya agar rakit tetap stabil. Misalnya, dengan gaya geser, luas rakit jauh lebih kecil daripada ketika semut hanya menghadapi gaya sentrifugal. Semut yang terakhir mengalami di mana pun mereka ditempatkan di rakit semut, sementara hanya semut di perbatasan yang mengalami gaya geser terkuat. Para ilmuwan berhipotesis bahwa rakit kecil adalah hasil dari semut yang mencoba menghindari batas, mengurangi luas permukaan dalam prosesnya.

Tim Georgia Tech juga memperhatikan bahwa semut api di rakit sedang mengeksplorasi lebih jauh apakah rakit itu diam atau tidak, biasanya menyebar secara horizontal, tetapi juga secara vertikal, untuk membangun struktur seperti menara sementara dengan harapan menemukan cabang gantung untuk dijemur. . Bumi. Perilaku eksplorasi akan jauh lebih sedikit jika rakit semut berputar sebagai respons terhadap gaya sentrifugal atau gaya geser.

Penelitian baru Vernerey dan Wagner didasarkan pada belajar Mereka diterbitkan tahun lalu. Mereka melakukan eksperimen dengan menjatuhkan gerombolan semut api ke dalam ember berisi air dengan batang plastik vertikal di tengahnya, dan kemudian mengamati perilaku semut dalam membangun rakit selama delapan jam berikutnya. Idenya adalah untuk mengamati bagaimana rakit berevolusi dari waktu ke waktu. Perhatikan bahwa ponton tidak mempertahankan bentuknya. Terkadang strukturnya dipadatkan menjadi lingkaran padat semut. Di lain waktu, semut mulai menyebar untuk membentuk perpanjangan seperti jembatan, terkadang menggunakannya untuk melarikan diri dari kandang, menunjukkan bahwa perilaku tersebut dapat memberikan keuntungan evolusioner.

Duo ini terpesona oleh bagaimana semut mencapai perubahan bentuk ini melalui proses yang mereka sebut “penggilingan”. Mengapung terutama terdiri dari dua lapisan yang berbeda. Semut di lapisan bawah memiliki tujuan struktural, karena mereka membentuk dasar rakit yang stabil. Tetapi semut di lapisan atas bergerak bebas di atas tubuh yang menempel pada saudara-saudaranya di lapisan bawah. Semut terkadang berpindah dari lapisan bawah ke lapisan atas, atau dari lapisan atas ke lapisan bawah dalam siklus yang Wagner sebut sebagai “lingkaran setan berbentuk pai”.

Vernerey dan Wagner ingin menentukan apakah perilaku treadmill ini merupakan keputusan semut yang disengaja, atau apakah itu muncul secara spontan. Jadi mereka merancang serangkaian model berbasis faktor yang terdiri dari 2.000 partikel (“faktor) yang mewakili setiap semut individu, terbatas pada jaringan simpul air. Satu kelompok semut pekerja (ditunjukkan dalam warna cyan) membentuk jaringan inti struktural; yang lainnya semut pekerja (ditampilkan dalam warna merah) bebas bergerak di atasnya.

Semut diprogram untuk mengikuti seperangkat aturan sederhana, seperti menghindari tabrakan dengan semut lain, dan tidak jatuh ke dalam air (“aturan pengendapan tepi”). Kemudian mereka membiarkan simulasi bermain. Dan semut simulasi berperilaku sangat mirip dengan rekan-rekan mereka di dunia nyata.

Misalnya, ketika semut pekerja aktif mencapai tepi rakit dan bersentuhan dengan air, mereka menghindari bergerak ke dalam air kecuali dipaksa melakukannya oleh semut pekerja aktif di dekatnya—dan hanya jika ada cukup semut yang menopang struktur. untuk merebutnya. Simulasi juga menunjukkan tonjolan seperti jembatan yang terbentuk secara spontan, dan para peneliti dapat menghubungkan formasi ini dengan aktivitas relatif semut. Semakin aktif semut, semakin besar kemungkinan benjolan akan mulai terbentuk.

“Semut di ujung taji ini hampir terdorong menjauh dari tepi ke dalam air, menciptakan efek yang cepat dan melonggarkan,” kata Wagner. Singkapan ini kemungkinan merupakan sarana yang digunakan oleh semut api di atas rakit untuk menjelajahi lingkungan mereka, mungkin mencari batang pohon atau lahan kering.

Penulis menyimpulkan bahwa, “Meskipun faktor isyarat seperti feromon tidak dikecualikan dan harus diuji dalam studi eksperimental masa depan, model ini umumnya menimbulkan mekanisme lokal di mana semut api dapat mencapai gaya berjalan dan pertumbuhan tonjolan tanpa kontrol pusat atau niat yang disengaja.” Namun, mereka mengakui bahwa ini adalah model yang homogen, dan kemungkinan ada lebih dari satu set aturan yang mengatur perilaku treadmill dan tampilan taji – fokus penelitian mereka di masa depan.

DOI: Biologi Komputasi PLOS, 2022. 10.1371 / jurnal.pcbi.1009869 (Tentang DOI).