juin 17, 2024

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Quelques règles simples déterminent comment les radeaux flottants de fourmis de feu changent de forme au fil du temps

Quelques règles simples déterminent comment les radeaux flottants de fourmis de feu changent de forme au fil du temps

Zoom / Les fourmis de feu forment une bosse à partir d’un radeau de fourmis.

Groupe de recherche Vernerey / CU Boulder

Les fourmis de feu sont un exemple biblique de comportement de groupe, elles sont capables d’agir en tant qu’individus et se combinent également pour former des radeaux flottants en réponse aux inondations. Maintenant, une paire d’ingénieurs en mécanique de l’Université du Colorado, à Boulder, a identifié quelques règles simples qui semblent régir la façon dont les radeaux flottants de fourmis de feu se contractent et étendent leur forme au fil du temps, selon nouveau papier Publié dans la revue PLOS Computational Biology. L’espoir est qu’en acquérant une meilleure compréhension des règles simples derrière le comportement des fourmis de feu, ils pourront développer de meilleurs algorithmes qui contrôlent la façon dont les essaims de robots interagissent.

Ce n’est pas une question de force mentale ou de planification minutieuse. « Ce comportement peut se produire, essentiellement, spontanément », a déclaré le co-auteur Robert Wagner. « Il n’y a pas nécessairement besoin d’une prise de décision centrale par les fourmis. » En fait, « les fourmis seules ne sont pas aussi intelligentes qu’on pourrait le penser, mais collectivement, elles deviennent des communautés très intelligentes et résilientes », Le co-auteur Frank Fernery a déclaré :.

comme nous sommes j’ai mentionné plus tôt, quelques fourmis bien espacées se comportent comme des fourmis individuelles. Mais emballez-en suffisamment ensemble et ils se comporteront comme une seule unité, présentant des propriétés solides et liquides. Il peut former des radeaux ou des tours, et vous pouvez même le verser de la théière sous forme liquide. Les fourmis de feu excellent aussi dans l’organisation de leurs fourmis Flux de trafic.

Toute fourmi à elle seule a un certain degré d’hydrophobie – la capacité de repousser l’eau – et cela La propriété a été condensée Liés ensemble, ils tissent leur corps comme un tissu imperméable. Ils ramassent tous les œufs, remontent à la surface à travers leurs tunnels de nidification et, à mesure que les eaux de crue montent, ils se mordillent mutuellement le corps avec leurs mandibules et leurs griffes, jusqu’à ce qu’une structure plate en forme de radeau se forme, chaque fourmi agissant comme un molécule individuelle dans une substance, par exemple des grains de sable dans un tas de sable.

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Les fourmis peuvent y parvenir en moins de 100 secondes. De plus, le radeau de fourmis est « auto-réparateur »: il est suffisamment solide pour que si une fourmi se perd ici et là, la structure globale puisse rester stable et intacte, même pendant des mois d’affilée. En bref, la fourmi radeau est un superorganisme.

En 2019, des chercheurs de Georgia Tech Prouve-le Les fourmis de feu peuvent détecter activement les changements dans les forces agissant sur le radeau dans différentes conditions de fluide et adapter leur comportement en conséquence pour maintenir la stabilité du radeau. Par exemple, avec la force de cisaillement, la surface du radeau était beaucoup plus petite que lorsque les fourmis ne rencontraient que la force centrifuge. Ces dernières fourmis subissent peu importe où elles sont placées dans le radeau de fourmis, tandis que seules les fourmis à la frontière subissent la force de cisaillement la plus forte. Les scientifiques ont émis l’hypothèse que les petits radeaux sont le résultat de fourmis essayant d’éviter d’être à la frontière, réduisant la surface dans le processus.

Le radeau de fourmis de feu qui tourne dans le laboratoire de biocinétique David Hoe de Georgia Tech est un exemple de comportement collectif.
Zoom / Le radeau de fourmis de feu qui tourne dans le laboratoire de biocinétique David Hoe de Georgia Tech est un exemple de comportement collectif.

Hangtang Koh

L’équipe de Georgia Tech a également remarqué que les fourmis de feu dans un radeau explorent plus avant si le radeau est stationnaire ou non, s’étendant généralement horizontalement, mais aussi verticalement, pour construire des structures temporaires en forme de tour dans l’espoir de trouver une branche suspendue à attraper pour sécher. . La terre. Il y aurait beaucoup moins de comportement exploratoire si le radeau de fourmis tournait en réponse à des forces centrifuges ou de cisaillement.

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La nouvelle recherche de Vernerey et Wagner est basée sur étude Ils ont publié l’année dernière. Ils ont mené des expériences en laissant tomber des hordes de fourmis de feu dans un seau d’eau avec une tige verticale en plastique au milieu, puis en observant le comportement de construction du radeau des fourmis au cours des huit heures suivantes. L’idée était d’observer l’évolution des radeaux dans le temps. A noter que les pontons n’ont pas conservé leur forme. Parfois, les structures sont compressées en cercles denses de fourmis. D’autres fois, les fourmis commencent à se propager pour former des extensions en forme de pont, les utilisant parfois pour échapper aux enclos, ce qui suggère que le comportement peut servir un avantage évolutif.

Le duo était fasciné par la façon dont les fourmis réalisaient ces changements de forme grâce à un processus qu’ils appelaient « moulin ». Les flotteurs sont principalement constitués de deux couches distinctes. Les fourmis de la couche inférieure ont un rôle structurel, car elles forment la base stable du radeau. Mais les fourmis de la couche supérieure se déplacent librement sur les corps attachés à leurs frères de la couche inférieure. Les fourmis se déplacent parfois de la couche inférieure à la couche supérieure, ou de la couche supérieure à la couche inférieure dans un cycle que Wagner appelle un « cercle vicieux en forme de tarte ».

Schéma du modèle basé sur les agents.
Zoom / Schéma du modèle basé sur les agents.

Wagner & Verneri, 2022

Vernerey et Wagner ont voulu déterminer si ce comportement de tapis roulant était une décision délibérée des fourmis ou s’il apparaissait spontanément. Ils ont donc conçu une série de modèles factoriels composés de 2 000 particules (« facteurs ») représentant chaque fourmi individuelle, confinée à un réseau de nœuds d’eau. Un groupe de fourmis ouvrières (en cyan) constituait le réseau central structurel ; l’autre les fourmis ouvrières étaient (représentées en rouge) sont libres de se déplacer dessus.

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Les fourmis sont programmées pour suivre un ensemble de règles simples, comme éviter les collisions avec d’autres fourmis et ne pas tomber dans l’eau (« règle de dépôt sur les bords »). Ensuite, ils laissent jouer la simulation. Et les fourmis simulées se sont comportées à peu près comme leurs homologues du monde réel.

Par exemple, lorsque les fourmis ouvrières actives atteignent le bord du radeau et entrent en contact avec l’eau, elles évitent de se déplacer dans l’eau à moins d’y être obligées par des fourmis ouvrières actives à proximité – et seulement s’il y a suffisamment de fourmis soutenant la structure. pour s’en emparer. Les simulations ont également montré des saillies en forme de pont se formant spontanément, et les chercheurs ont pu corréler ces formations avec l’activité relative des fourmis. Plus les fourmis sont actives, plus les bosses sont susceptibles de commencer à se former.

« Les fourmis au bout de ces éperons sont presque repoussées du bord dans l’eau, créant un effet d’emballement », a déclaré Wagner. Il est possible que ces affleurements soient un moyen utilisé par les fourmis de feu sur un radeau pour explorer leur environnement, peut-être à la recherche de troncs d’arbres ou de terres sèches.

Les auteurs ont conclu: « Bien que des facteurs de repère tels que les phéromones ne soient pas exclus et devraient être testés dans de futures études expérimentales, ce modèle pose généralement des mécanismes locaux par lesquels les fourmis de feu peuvent atteindre la croissance de la démarche et des tétras sans contrôle central ni intention délibérée. » Cependant, ils reconnaissent qu’il s’agit d’un modèle homogène et qu’il est probable qu’il existe plus d’un ensemble de règles régissant le comportement des tapis roulants et l’apparition des éperons – un autre axe futur de leurs recherches.

DOI : biologie computationnelle PLOS, 2022. 10.1371 / journal.pcbi.1009869 (À propos des DOI).