Zmieniający kształt robak-kropka może zainspirować roje przyszłych robotów

Czarne robaki (Lumbriculus variegatus) są krewnymi dżdżownic, które mogą dorastać do 10 cm długości. Żyją na płytkich bagnach, stawach i bagnach w Europie i Ameryce Północnej, gdzie żywią się mikroorganizmami i szczątkami. Aby uchronić się przed wysychaniem, czarne robaki mogą gromadzić się jako zazębiające się, zmieniające kształt „punkty” składające się z kilku do setek osobników. Podobnie jak roje pszczół, grupy mrówek ognistych lub stada szpaków, kleksy glisty mogą wykazywać „inteligentny” masowy ruch.

Teraz naukowcy pokazują, że efektywny ruch masowy może pojawić się w bąbelkach blackworm tylko wtedy, gdy warunki są odpowiednie – w szczególności, gdy istnieje równowaga między aktywnością i „przyleganiem” poszczególnych czarnych robaków. Niedawno opublikowali swoje odkrycia jako otwarty dostęp w czasopiśmie Granice w fizyce.

„Podczas gdy poszczególne robaki w punkcie muszą przylegać do siebie, muszą być również dostępne z zewnątrz, aby nadal otrzymywać informacje z szerszego środowiska” – powiedziała pierwsza autorka, dr Chantal Nguyen, badaczka podoktorancka w uniwersyteckim Instytucie BioFrontiers. Kolorado w Boulder, Stany Zjednoczone.

„Jaka jest najlepsza równowaga między tymi przeciwstawnymi wymaganiami, która pozwoliłaby robakom na optymalny poziom wykrywania i reagowania na środowisko jako całość? Aby znaleźć tę równowagę, przeprowadziliśmy zestaw eksperymentów na prawdziwym blackwormie, aby stworzyć realistyczny model punktu robaka.”

Znalezienie odpowiedniej temperatury

Dlaczego badania tuneli czasoprzestrzennych są ważne? Powód leży właśnie w ich organizacji społecznej na wielu poziomach.

Interakcje między poszczególnymi czarnymi robakami mogą prowadzić do nowych, nieoczekiwanych właściwości, gdy poruszają się jak bańka. Te „wschodzące” właściwości są charakterystyczne dla systemów biologicznych, od białek, przez organizmy wielokomórkowe, po ekosystemy. W związku z tym plamy są nie tylko fascynujące same w sobie, ale mogą również służyć jako model dla podobnych systemów, które są zbyt małe lub zbyt duże, aby można je było łatwo zaobserwować, na przykład półelastyczne włókna aktynowe w cytoszkielecie, rzęskach i wiciach.

„Aktywne biopolimery i filamenty aktynowe są świetnymi przykładami tak zwanych „usieciowanych grup materiałów aktywnych”, które są gorącym tematem w robotyce i Inżynieria materiałowaWspółautor dr M. Saad Bahmala, adiunkt w Georgia Institute of Technology w Atlancie, Stany Zjednoczone.

Aby zbadać reakcję czarnych robaków na zmiany środowiskowe, Nguyen i inni badacze zarejestrowali ruch pojedynczych czarnych robaków w łaźniach wodnych, których temperatura stopniowo wzrastała z 12 do 34 stopni Celsjusza. Do 30°C robaki mają tendencję do penetrowania łazienki, szukania jej ścian, a następnie przemieszczania się wzdłuż nich. W wysokich temperaturach, które szkodzą ich funkcjonalności, robaki w większości pozostają nieruchome.

cyfrowy test bąbelkowy na robakach

Następnie naukowcy przeprowadzili symulację indywidualnego i zbiorowego zachowania czarnych robaków w modelu komputerowym, ograniczając dla uproszczenia kropki do zaledwie dwóch wymiarów. Zaprogramowali robaki tak, aby zachowywały się jak molekuły: odpychały się na bardzo bliskie odległości w porównaniu z umiarkowanymi odległościami i nie oddziaływały na większe odległości. Wyizolowane robaki są zaprogramowane, aby badać więcej w niższych temperaturach. Elastyczność między częściami ciała została ustawiona na umiarkowaną, co spowodowało, że typowe robaki rozciągały się w niższych temperaturach, ale zwijały się w wyższych temperaturach.

Naukowcy wykazali, że ciągły ruch masowy plamek czarnej dżdżownicy może pojawić się tylko wtedy, gdy istnieje delikatna równowaga między „przyleganiem” robaków a ich indywidualnym ruchem, dzięki czemu plamy pozostają razem, gdy poruszają się w poszukiwaniu chłodniejszych obszarów. Wokół tej optymalnej równowagi typowe plamy poruszały się ze średnią prędkością 1 mm/s, ale wolniej w przypadku większych plam.

„Kiedy zmieniliśmy parametry, w szczególności przyciąganie między robakami i siłę indywidualnego samonapędu, zaobserwowaliśmy trzy szerokie stany behawioralne: jeden, w którym ruch masowy występuje w sposób ciągły, inny, w którym plamy się rozpadają, i wreszcie, w którym robaki Tak mocno przylegają do siebie, że plamy nie mogą się poruszać, powiedział współautor, dr Orit Peleg, adiunkt informatyki w Instytucie BioFrontiers.

„Pojawiają się również te prawdziwe czarne robaki, co oznacza, że ​​nasz model – choć prosty – oddaje dużą część złożoności prawdziwego organizmu”.

„Mamy nadzieję, że nasze obecne odkrycia zostaną zastosowane do projektowania nowych systemów robotycznych, w których poszczególne miękkie i elastyczne roboty mogą się ze sobą łączyć i poruszać jako pojedyncza jednostka. Innym możliwym zastosowaniem są „żywe materiały inżynieryjne”, takie jak materiały budowlane lub tkaniny, które składają się z autonomicznych jednostek, które mogą się reorganizować, aby naprawiać lub reagować na środowisko”.