火蚁筏如何帮助工程师设计蜂群机器人

诺亚乘着方舟渡过洪水。火蚁(火红蚁)，同时形成由数千甚至数十万只昆虫组成的漂浮筏。

科罗拉多大学博尔德分校的工程师们的一项研究揭示了简单的基于物理的规则，这些规则支配着这些蚂蚁筏如何随着时间的推移而变化:收缩、扩张或长出像大象鼻子一样的长长的突出物。该团队的发现有一天可以帮助研究人员设计出成群合作的机器人，或者设计出分子迁移以修复受损部位的下一代材料。

的最近的结果在杂志中PLOS计算生物学．

这项新研究的主要研究员、芝加哥大学的教授弗兰克·弗纳利说:“这种行为的起源其实很简单。Paul M. Rady机械工程系．“单个蚂蚁并不像人们想象的那么聪明，但是，当它们聚集在一起时，它们就会成为非常聪明和有弹性的群体。”

在美国东南部的暴风雨过后，火蚁形成了这些巨大的漂浮的蠕动昆虫团，以在汹涌的水域中生存下来。

在他们最新的研究中，弗纳利和主要作者罗伯特·瓦格纳利用数学模拟或模型，试图找出这些救生艇背后的机制。例如，他们发现，在木筏上的蚂蚁移动得越快，木筏就会向外扩张得越快，通常会形成长长的突出物。

“从本质上讲，这种行为可能是自发发生的，”机械工程研究生瓦格纳说。“蚂蚁不一定需要任何中央决策。”

跑步机的时间

瓦格纳和弗纳利几乎是偶然发现了蚂蚁筏的秘密。

在一个另一项研究于2021年发表两人把数千只火蚁扔进一桶水里，桶中间有一根塑料棒，就像暴风雨中的一根孤独的芦苇。然后他们等待着。

瓦格纳说:“我们把它们放在那里长达8个小时，以观察这些木筏的长期演变。”“我们最终看到的是，木筏开始形成这些生长物。”

随着时间的推移，这些结构不会保持相同的形状，而是会压缩，形成密集的蚂蚁圈。在其他时候，这些昆虫会像煎锅上的煎饼面糊一样呈扇形展开，甚至会建造桥梁般的延伸部分。

该小组报告称，蚂蚁似乎是通过“踩铣”过程来调节这些形状变化的。瓦格纳解释说，每个蚂蚁筏都由两层组成。在底部，你可以找到“结构”蚂蚁，它们紧紧地粘在一起，组成了底部。在它们上面是第二层蚂蚁，它们在蚁群成员的顶部自由走动。

在一段时间内，底部的蚂蚁可能会爬到顶部，而自由漫游的蚂蚁会下降成为结构层的一部分。

“整件事就像一个甜甜圈形状的跑步机，”瓦格纳说。

通往安全之桥

在这项研究中，他和Vernerey想要探索是什么让跑步机运转。

为了做到这一点，该团队创建了一系列模型，从本质上讲，这些模型将蚂蚁筏变成了复杂的跳棋游戏。研究人员编写了大约2000个圆形粒子(或“代理人”)来代替蚂蚁。这些代理不能自己做决定，但它们确实遵循一套简单的规则:例如，假蚂蚁不喜欢撞到它们的邻居，它们尽量避免掉进水里。

当他们让游戏进行时，瓦格纳和弗纳利发现他们模拟的蚂蚁筏表现得很像真实的蚂蚁筏。

特别是，该团队能够调整代理在模拟中的活跃程度:单个蚂蚁是缓慢而懒惰的，还是它们经常走来走去?蚂蚁走得越多，它们就越有可能形成从木筏上伸出来的长长的延伸部分——有点像人们在拥挤的体育场里向出口聚集。

他说:“在这些突出物顶端的蚂蚁几乎会被推到水里，这导致了失控效应。”

瓦格纳怀疑火蚁利用这些延伸来感知周围的环境，寻找原木或其他干燥的土地。

关于蚂蚁筏，研究人员还有很多需要了解的地方:例如，是什么让现实世界中的蚂蚁选择从稳重转向懒惰?但就目前而言，Vernerey说工程师们可以从火蚁身上学到一两件事。

他说:“我们对火蚁的研究有望帮助我们理解如何编写简单的规则，比如通过算法规定机器人如何与其他机器人互动，以实现有针对性的智能群体反应。”

-由Chris Vavra编辑，网页内容经理，控制工程， CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com．

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