خبر

  • تک بورد - Tiny Jenga: مورچه ها می توانند هنگام حفر تونل احساس کنند که کدام دانه های خاک را حذف کنند

    Tiny Jenga: مورچه ها می توانند هنگام حفر تونل احساس کنند که کدام دانه های خاک را حذف کنند
    3 روز و 9 ساعت قبل

    دانشمندان Caltech برای تصویربرداری از فیزیک تپه های زیر زمینی مورچه ها از تصویربرداری با اشعه ایکس استفاده کردند. در حال حاضر ، تیمی از دانشمندان Caltech از تصویربرداری با اشعه ایکس برای ثبت روند ساخت تونل های مورچه ها استفاده کرده اند. دانشمندان دریافتند که مورچه ها به طور شهودی تکامل یافته اند تا ذرات دانه ای را که می توانند با حفظ ثبات ساختار حذف کنند ، درست مانند برداشتن بلوک های جداگانه در با

    دانشمندان علاقه مند به رفتار جمعی ده ها سال است که مورچه ها را مطالعه می کنند. این به این دلیل است که به عنوان یک گروه ، مورچه ها مانند یک رسانه دانه ای رفتار می کنند. چند مورچه که از یکدیگر فاصله دارند مانند مورچه های جداگانه رفتار می کنند. اما به اندازه کافی آنها را به هم نزدیک کنید ، و آنها بیشتر شبیه یک واحد عمل می کنند و دارای ویژگی های جامد و مایع هستند. به عنوان مثال ، می توانید مورچه های آتشین را از یک قوری بریزید ، یا مورچه ها می توانند برای ایجاد برج یا قایق شناور به یکدیگر متصل شوند. مورچه ها ممکن است حیوانات کوچکی با مغز کوچک باشند ، اما این حشرات اجتماعی می توانند به طور جمعی خود را در یک جامعه بسیار کارآمد سازماندهی کنند تا از زنده ماندن مستعمره اطمینان حاصل کنند. موسسه مطالعات پیشرفته در تولوز ، فرانسه و چند همکارش آزمایشات آزمایشگاهی را با مورچه های آرژانتینی و مدل سازی رایانه ترکیب کردند تا سه قانون ساده را که بر رفتار تونل گذاری مورچه ها نظارت می کند ، شناسایی کنند. برای شوخ طبعی: (1) مورچه ها دانه ها را با سرعت ثابت جمع آوری کردند (حدود 2 دانه در دقیقه). (2) مورچه ها ترجیحاً دانه های خود را در نزدیکی دانه های دیگر رها کرده و ستون تشکیل می دهند. و (3) مورچه ها معمولاً دانه هایی را که با فرمون شیمیایی مشخص شده اند بعد از اینکه توسط دیگر مورچه ها مورد استفاده قرار می گیرند ، انتخاب می کردند. ترالاز و همکاران شبیه سازی کامپیوتری را بر اساس این سه قانون انجام دادند و دریافتند که پس از یک هفته ، مورچه های مجازی آنها ساختاری ساختند که بسیار شبیه لانه مورچه های واقعی بود. آنها به این نتیجه رسیدند که این قوانین از تعاملات محلی بین مورچه های جداگانه و بدون نیاز به هماهنگی مرکزی ناشی می شود.

    اخیراً ، مقاله ای در سال 2020 نشان داد که پویایی اجتماعی نحوه ظهور تقسیم کار در مستعمره مورچه ها مشابه است. نحوه توسعه قطبی شدن سیاسی در شبکه های اجتماعی انسان مورچه ها همچنین در تنظیم جریان ترافیک خود برتری دارند. یک مطالعه در سال 2018 توسط گروه دانیل گلدمن در Georgia Tech بررسی کرد که مورچه های آتش چگونه حفر تونل خود را بدون ایجاد ترافیک بهینه می کنند. همانطور که در آن زمان گزارش کردیم ، گروه به این نتیجه رسیدند که وقتی مورچه ای با تونلی برخورد می کند که مورچه های دیگر در آن کار می کنند ، عقب می افتد تا تونلی دیگر پیدا کند. و تنها بخش کوچکی از مستعمره در هر زمان در حال حفاری است: 30 درصد آنها 70 درصد کار را انجام می دهند.

    تبلیغات

    خواندن بیشتر

    فیزیک پشت مورچه های آتش در کنار هم قرار گرفتن در یک "قایق" شناور قوی

    گروه تحریک زیستی دیوید هو در Georgia Tech نیز مورچه های آتش را مورد مطالعه قرار داده است. در سال 2019 ، او و همکارانش گزارش دادند که مورچه های آتش می توانند تغییرات نیروهایی را که بر قایق شناور آنها عمل می کنند ، بطور فعال احساس کنند. مورچه ها شرایط مختلف جریان سیال را تشخیص می دهند و می توانند رفتار خود را بر اساس آن برای حفظ ثبات قایق تطبیق دهند. دست و پا زدن در آب رودخانه باعث ایجاد یک سری گرداب گردان (معروف به ریختن گرداب) می شود و باعث می شود قایق های مورچه ای بچرخند. این گردابها همچنین می توانند نیروهای اضافی بر روی قایق وارد کنند که برای جدا شدن آن کافی است. تغییرات نیروهای گریز از مرکز و برشی که بر روی قایق عمل می کنند بسیار اندک است - شاید 2 تا 3 درصد نیروی جاذبه طبیعی باشد. با این حال ، به نوعی ، مورچه ها می توانند این تغییرات کوچک را با بدن خود حس کنند.

    این آخرین مقاله بر مورچه های دروگر غربی (Pogonomyrmex occidentalis) تمرکز دارد ، که به دلیل توانایی حفاری فراوان با دانه های خاک در میلی متر انتخاب شده اند. مقیاس خوزه آندره ، نویسنده همکار ، مهندس مکانیک در Caltech ، پس از مشاهده نمونه هایی از هنر مورچه های تپه ای ، برای کشف مورچه های تونلی الهام گرفت. این قطعات با ریختن نوعی فلز مذاب ، گچ یا سیمان در تپه مورچه ایجاد می شوند ، که در تمام تونل ها جریان می یابد و در نهایت سفت می شود. سپس خاک اطراف برداشته می شود تا ساختار پیچیده نهایی نمایان شود. Andrade بسیار تحت تأثیر قرار گرفت ، او شروع به تعجب کرد که آیا مورچه ها واقعا "می دانند" چگونه این سازه ها را حفر کنند. سمت چپ: نصب یک مدل از ذرات حذف شده. سمت راست پایین: تفریح ​​دیجیتالی ذرات حذف شده توسط مورچه ها در محل اولیه. " src = "https://techbord.com/picsbody/2108/5131-1.jpg" alt = "https://techbord.com Tiny Jenga: مورچه ها می می کنند که حفر تونل احساس می کنند کدام دانه های خاک را حذف کنند" srcset = "https://cdn .arstechnica.net/wp-content/uploads/2021/08/anttunnel5.jpg 2x "> بزرگنمایی/بالا سمت چپ: طرح آزمایشی. بالا سمت راست: تصویر اشعه ایکس از یک تونل تکمیل شده. سمت چپ پایین: نصب مدل ذرات حذف شده. سمت راست پایین: تفریح ​​دیجیتالی ذرات حذف شده توسط مورچه ها در محل اولیه. R.B. de Macedo و همکاران ، 2021

    Andrade برای این پروژه با مهندس بیولوژیکی Caltech ، Joe Parker همکاری کرد. تحقیقات پارکر بر روابط اکولوژیکی مورچه ها با سایر گونه ها متمرکز است. آندراده می گوید: "ما با هیچ مورچه ای مصاحبه نکردیم تا بپرسیم آیا می دانند چه می کنند ، اما ما با این فرضیه شروع کردیم که آنها عمداً حفاری می کنند." "ما فرض کردیم که شاید مورچه ها نقش جنگا را بازی می کنند."

    به عبارت دیگر ، آنها مظنون بودند که مورچه ها در خاک به دنبال دانه های شل برای برداشتن می گردند. از برج Jenga خارج کرده و بلوک های باربر مهم را در جای خود بگذارید. این بلوک ها بخشی از چیزی هستند که به عنوان "زنجیره نیرو" شناخته می شوند و به هم چسباندن بلوک ها (یا ذرات دانه ای خاک ، در مورد تپه مورچه ای) با هم برای ایجاد یک ساختار پایدار کمک می کنند.

    برای آزمایشات خود ، آندره و همکارانش 500 میلی لیتر خاک Quikrete را با 20 میلی لیتر آب مخلوط کردند و مخلوط را در چند فنجان کوچک خاک قرار دادند. اندازه فنجان ها به این دلیل انتخاب شد که چگونه می توان آنها را به راحتی در داخل سی تی اسکن قرار داد. از طریق آزمایش و خطا-با شروع از یک مورچه و افزایش تدریجی تعداد-محققان تعداد مورچه های مورد نیاز برای دستیابی به سرعت مطلوب حفاری را تعیین کردند: هر 10 دقیقه یکبار اسکن می شود در حالی که مورچه ها برای نظارت بر پیشرفت خود تونل زنی می کردند. از تصاویر سه بعدی به دست آمده ، آنها یک "نماد دیجیتال" برای هر ذره در نمونه ایجاد کردند و شکل ، موقعیت و جهت هر دانه را ثبت کردند - همه اینها می تواند بر توزیع نیروها در نمونه های خاک تأثیر بسزایی بگذارد. محققان همچنین با مقایسه تصاویری که در زمان های مختلف در زمان به دست آمده ، ترتیب حذف هر دانه توسط مورچه ها را مشخص کردند.

    نیروهای گرانولی (خطوط سیاه) در همان مکان در خاک قبل (چپ) و بعد از (راست) تونل زدن مورچه ها. بزرگ شدن/نیروهای گرانولی (خطوط سیاه) در همان محل در خاک قبل (چپ) و بعد از (راست) تونل زدن مورچه ها. Jose E Andrade و David R. Miller/Caltech

    مورچه ها همیشه در حفر تونل های خود با هم همکاری نمی کردند. آندراد گفت: "آنها به نوعی دمدمی مزاج هستند." "آنها هر زمان که بخواهند حفاری می کنند. ما این مورچه ها را در ظرفی قرار می دادیم و برخی بلافاصله شروع به حفاری می کردند و این پیشرفت شگفت انگیز را انجام می دادند. اما برخی دیگر ، ساعت ها طول می کشد و به هیچ وجه حفاری نمی کنند. و برخی برای مدتی حفاری می کردند و سپس متوقف می شدند و استراحت می کردند. "

    آندره و پارکر در تجزیه و تحلیل خود به چند الگوی نوظهور توجه کردند. به عنوان مثال ، مورچه ها معمولاً در لبه های داخلی فنجان ها حفر می کنند - یک استراتژی کارآمد ، زیرا کناره های فنجان ها می توانند به عنوان بخشی از ساختار تونل سازی عمل کنند و مورچه ها را در تلاش کمی نجات دهند. مورچه ها همچنین خطوط مستقیم را برای تونل های خود ترجیح می دهند ، که این نیز کارایی را بهینه می کند. و مورچه ها تمایل داشتند تا آنجا که ممکن است تونل های خود را حفر کنند. شدیدترین حد ممکن در محیط دانه مانند خاک "زاویه آرامش" نامیده می شود. از آن زاویه فراتر رفته و ساختار فرو می ریزد. به نحوی مورچه ها می توانند آن آستانه بحرانی را احساس کنند و مطمئن شوند که تونل های آنها هرگز از زاویه آرامش فراتر نرود. زنجیره های نیرویی که بر روی ساختار تأثیر می گذارند خود را از یک توزیع تصادفی به شکل یک نوع آستر در خارج از یک تونل تغییر می دهند. این توزیع مجدد نیروها دیوارهای موجود تونل را تقویت می کند و فشار وارد شده توسط دانه ها در انتهای تونل را کاهش می دهد. این باعث می شود که مورچه ها بتوانند این دانه ها را از بین ببرند تا تونل حتی بیشتر گسترش یابد. به "معلوم می شود که با برداشتن دانه ها در این الگوی که مشاهده کردیم ، مورچه ها هنگام حفاری از این زنجیره های نیروی محیطی سود می برند." مورچه ها برای ارزیابی نیروهای مکانیکی که بر آنها وارد می شود ، به دانه های فردی ضربه می زنند.

    پارکر آن را نوعی الگوریتم رفتاری می داند. وی گفت: "این الگوریتم در یک مورچه واحد وجود ندارد." "این رفتار مستعمره در حال ظهور همه این کارگران است که مانند یک ابرارگانیسم عمل می کنند. نحوه پخش این برنامه رفتاری در مغزهای کوچک همه این مورچه ها شگفتی دنیای طبیعی است که ما هیچ توضیحی برای آن نداریم."

    DOI: PNAS ، 2021. 10.1073/pnas.2102267118 (درباره DOI ها).

    با احترام Caltech.





خبرهای دیگر از علوم پایه