Das sind die richtigen Bienen: mechanische Anpassung an dynamische Effekte

Die Entwicklung künstlicher neuronaler Netze zielt darauf ab, eine Art künstliches Gehirn wiederherzustellen. Alle Neuronen sind miteinander verbunden, senden Signale aneinander und sind voneinander abhängig. Je mehr es gibt, desto komplexer und entwicklungsfähiger wird das Netzwerk. Heute werden wir nicht auf künstliche Netzwerke achten, sondern auf solche, die wir in der Natur beobachten können, da ein Großteil der menschlichen Technologie genau von dort entlehnt wird. Aber was kann man mit dem menschlichen Gehirn oder einem künstlichen neuronalen Netzwerk vergleichen? Die Antwort ist nicht standardisiert - ein Bienenschwarm. Unabhängig davon sind Bienen für Wissenschaftler nicht so interessant wie in einem Schwarm. Wir alle wissen, wie reibungslos und effektiv der Schwarm zum Wohle des Bienenstocks arbeitet. Jede Biene erfüllt eine bestimmte Aufgabe, ohne andere zu stören, sondern ergänzt sich durch den allgemeinen Mechanismus des Bienenstocks, der ohne Unterbrechung arbeitet. Heute werden wir eine ungewöhnliche Studie verstehen, in der versucht wird zu erklären, wie ein Bienenschwarm mit den Gefahren der äußeren Umgebung umgeht und wie Individuen in solchen Situationen interagieren. Welche Gefahr stellte die Biene für die Armen dar, wie gingen sie damit um und was bedeutet dies für Mensch und Wissenschaft? Wir werden im Bericht nach Antworten suchen. Lass uns gehen.

Studienbasis

Auf den ersten Blick scheint eine solche Studie ein wenig dumm zu sein, denn im Wesentlichen ist sie die Antwort auf die Frage "Was passiert, wenn Sie einen Stock in den Bienenstock stecken?". Nun, erstens lohnt es sich nicht, dies zu tun, da Bienen sehr empfindliche Wesen sind (und stechen). Zweitens arbeitet jedes Lebewesen wie jedes Gerät nach einem bestimmten Algorithmus. Bei Bienen ist dieser Algorithmus dem gesamten Schwarm gemeinsam. Aus mathematischer, programmtechnischer und sogar mechanischer Sicht sind Bienen sehr interessant. Deshalb werden wir unsere Skepsis nicht erhöhen und die Neugier überwiegen lassen.


Biene in Bewegung

Die Hauptfiguren der Studie waren Apis mellifera-Bienen (oder einfach „europäische Honigbienen“), die Bienenstöcke erzeugen, die an Ästen hängen und hauptsächlich aus Bienen selbst bestehen. Ehrlich gesagt ist die Konstruktion angesichts der Wetterveränderungen, natürlichen Feinde usw. zweifelhaft. Solche Bienenstöcke können jedoch sehr lange erfolgreich überleben. Die Frage stellt sich - wie? Die Antwort liegt im Kollektivismus. Als Beispiel nennen die Forscher einige Ameisenarten, die sich aneinander binden und Flöße schaffen, die sich entlang der Wasseroberfläche bewegen. Arten lebender Organismen wie Bienen, Termiten oder Ameisen sind Superorganismen, dh Organismen, die aus vielen Organismen bestehen. Dies ist vergleichbar mit Lego-Teilen: Ein Teil ist nichts, aber verbinden Sie sie zu einem Cluster und Sie erhalten einen Todesstern für 3803 Teile.

In solchen biologischen Systemen funktioniert das Prinzip „je mehr desto besser“ jedoch nicht, da eine Überbevölkerung unter widrigen Bedingungen zu Chaos und damit zum Tod der gesamten Kolonie führen kann. Honigbienen erweitern ihre Kolonie, indem sie benachbarte Äste buchstäblich besiedeln. Eine Gruppe von Bienen, angeführt von einer Königin, zieht vom Bienenstock der Mutter an einen neuen Ort, wo sie einen Satellitenbienenstock bilden, dessen Anzahl 10.000 Individuen erreichen kann. Im alten Bienenstock erscheint eine neue Königin. Dies zeigt uns einmal mehr, wie glatt der Bienenstock als System vieler Arbeitseinheiten ist.

Kommen wir zurück zu unseren Honigtransformatorbienen. Wissenschaftler sagen, dass viel darüber bekannt ist, wie sie während des Umzugs solche ungewöhnlichen Bienenstöcke bilden, aber wenig über die Stabilität solcher „Gebäude“ in Bezug auf dynamische Effekte bekannt ist.


Bild Nr. 1

Die Bilder 1a zeigen Variationen in der Form eines Bienenhaufens (Schwarmstock) während des Schwarms (Schaffung einer neuen Kolonie), der normalerweise wie ein umgekehrter Kegel aussieht ( 1b ).

Temperaturänderungen für diese Bienen sind kein Problem. Sie regulieren die Dichte des Schwarms und seiner Fläche, um eine stabile Temperatur in seinem Zentrum aufrechtzuerhalten, in dem die Königin lebt. Wenn die Umgebungstemperatur beispielsweise im Sommer steigt, dehnt sich der Schwarm aus und bildet einige Rillen, die die Luftzirkulation fördern. Bei Regen bilden die Bienen an der Außenseite des Clusters einen „Schild“, durch den die Feuchtigkeit einfach abfließt.

Diese Fähigkeiten von Bienen sind bekannt, aber es ist nicht ganz klar, wie sie die Stabilität des Clusters bei dynamischer Exposition aufrechterhalten. Die Zerstörung des Clusters kann zum Tod fast des gesamten Schwarms führen. Das werden Wissenschaftler untersuchen.

Vorbereitung für das Experiment

Für das Experiment wurde ein Raum vorbereitet, auf dessen Tafel eine Königin-Königin platziert war. Bienen wurden in den Raum entlassen und bildeten einen Cluster, dessen Prozess in den Bildern 1c dargestellt ist .

An der Platine ist ein kleiner Motor angebracht, der sie horizontal und vertikal mit unterschiedlichen Frequenzen (von 0,5 bis 5 Hz) und unterschiedlicher Erdbeschleunigung (von 0 bis 0,1 g) bewegen kann.


Das Erscheinungsbild des Versuchsaufbaus: A - horizontale Bewegungen, B - vertikal.


Mechanischer Einfluss auf den Bienenstock: A - kontinuierliches Zittern des Clusters, wenn die Frequenz stabil ist und sich die Beschleunigung ändert; B - intermittierendes Zittern des Clusters, wenn die Beschleunigung stabil ist und sich die Frequenz ändert; C - eine einzelne Gehirnerschütterung.

Beim Einschalten des horizontalen Schüttelmodus beginnt der Cluster wie ein Pendel mit einer Frequenz von etwa 1 Hz zu schwingen. Nach einigen Minuten passen sich die Bienen jedoch an den dynamischen Modus an und ändern die Clusterform in eine flachere, während die Anzahl der Individuen dieselbe bleibt wie vor dem Test.


Horizontaler Shake-Cluster: Formformung

Nach Abschluss des Tests stellen die Bienen innerhalb von 30 bis 120 Minuten die ursprüngliche Form des Clusters wieder her. Es ist zu beachten, dass der Wiederherstellungsprozess viel länger dauert als der Prozess der Bildung der "Notfall" -Form.

Die Analyse der Daten einer konstanten und intermittierenden Gehirnerschütterung zeigte, dass die Reaktion auf eine Konstante viel früher erfolgt. Mit zeitweiligen Bienen beginnen die Cluster erst nach wenigen Schocks, den Cluster wieder aufzubauen.


Bild Nr. 2

Grafik 2a ist ein Indikator für die Änderung der Clusterfläche basierend auf der Funktion (A (t) / A (0), wobei A (t) die Fläche nach dem Test ist, A (0) vor dem Test). Die Farben der Linien entsprechen unterschiedlichen Häufigkeiten periodischer Stöße.

Das nebenstehende Diagramm ( 2b ) zeigt die Änderungen auch bei ständiger Erschütterung des Clusters. Hier können wir feststellen, dass der Cluster bei extrem geringer Beschleunigung (in der Größenordnung von 0,01 g) in keiner Weise reagiert, was zu Gedanken über die Existenz einer bestimmten Aktivitätsschwelle führt. Wenn die Dynamik diese Schwelle nicht erreicht, nehmen die Bienen dies nicht als Gefahr wahr und beginnen nicht, den Cluster in einer stabileren Form wieder aufzubauen. 2c ist das Koordinatensystem des Clusters und einzelner Individuen.

Die Forscher berechneten eine Formel, mit deren Hilfe der Bewegungsprozess jeder Biene während eines dynamischen Aufpralls auf den Bienenstock mathematisch dargestellt werden kann. Dies ist notwendig, um den Unterschied in der Clusterreaktion auf konstante und diskontinuierliche Schocks zu verstehen ( 2d ).

Nach der Analyse der Flugbahnen der Bienen stellten die Wissenschaftler fest, dass die relative Verschiebung zwischen den Bienen am oberen Rand des Clusters und den Bienen an der Basis viel größer ist, wenn sie verlängert sind, dh vor dem Test. Die Umfrage bestätigte, dass die mechanische Anpassung des Schwarms es ermöglicht, die lokalen Verformungen des Clusters (normale Verformung und Verschiebung) während des Übergangs in einen flachen Zustand, dh während und nach dem Test, auszugleichen.

Im Moment des Zitterns beginnen sich die Bienen zur Basis des Bienenstocks zu bewegen, was durch Verfolgung einzelner Individuen bestimmt wurde ( 2e ).


Die Bewegung von Individuen zur Basis des Clusters.

Diese Beobachtung bestätigt den Grund für dieses Verhalten - ein Gefühl der Verformung. Genauer gesagt hat die Biene das Gefühl, dass eine Lücke zwischen ihr und dem benachbarten Individuum entstanden ist, die nicht sein sollte. Dies veranlasst sie, zur Basis zu ziehen, um den Bienenstock zu stärken. Warum zur Basis? Der Bienenhaufen kann in Form eines Schemas (2f) dargestellt werden, in dem die hellroten Bereiche die Zonen mit der höchsten Belastung und die dunklen mit der kleinsten Belastung sind. Bienen wissen, in welchem ​​Abschnitt des Bienenstocks die Last auf seiner Struktur am größten ist. Sie müssen also dorthin ziehen, um diesen Bereich zu stärken.

Nachdem die Wissenschaftler das oben beschriebene Prinzip des Bienenverhaltens verstanden haben, stellen sie eine neue Frage: Wie sollte die relative Verschiebung der Biene sein, um darauf zu reagieren?



Zunächst erinnern die Forscher daran, dass die wichtigsten dynamischen Eigenschaften eines aufgehängten flexiblen Kegels einem Pendel ähnlich sind, wenn er sich von einer Seite zur anderen bewegt und wenn er sich mit einer Feder nach unten und oben bewegt.

Das Bild oben zeigt ein Cluster-Modell, in dem jede einzelne Biene als kugelförmiger Körper dargestellt wird, der von drei Kräften beeinflusst wird: der Schwerkraft, der Anziehungskraft zwischen benachbarten Körpern und der Kraft, das Eindringen eines Körpers in einen anderen zu verhindern.

Das mathematische Modell enthüllte eine interessante Tatsache: Die maximale Amplitude lokaler Lasten nimmt zu, wenn sich der Cluster verlängert. Somit sind es diese Lasten, die als Signal für die Bienen dienen.


Demonstration der Clusterverschiebung während der Computersimulation .


Bild Nr. 3: Computermodell.

Wie aus Simulation 3a ersichtlich ist, nimmt die normale Verformung (sollte gleich 0 sein) während horizontaler Schwingungen genau an der Basis zu. 3b zeigt Scheränderungen während der horizontalen Schwingung. Hier sehen wir, dass diese Art der Verformung nicht so bedeutend ist. Grafik 3c zeigt Änderungen der normalen Verformung und Scherung im Zusammenhang mit der Verschiebung des Bienenstocks aus seiner ursprünglichen Position.

Wie bereits erwähnt, ist jede Kugel in einem mathematischen Computermodell eine separate Biene. Er implementierte eine Verhaltensregel - um sich in Bereiche zu bewegen, in denen die Last über ein kritisches Niveau ansteigt. Als Ergebnis zeigte das Modell, was live mit Bienen beobachtet werden konnte ( 3d ). Die Grafiken auf 3e zeigen, wie sich die Bienenstockfläche an der Basis und der Anteil der Bienen, die sich darauf zu bewegten, verändert haben (entspricht Grafik 2e).


Bild Nr. 4: vertikale Schwingungen.

Während des Versuchs mit vertikalem Schwanken des Bienenstocks betrug die Beschleunigung nicht mehr als 0,05 g. Infolgedessen waren die beobachteten Verzerrungen sehr unbedeutend. Dies ist auf den Bildern auf 4a zu sehen, wo sich die Form des Bienenstocks 30 Minuten lang nicht geändert hat.

Mit einem Anstieg der Gravitationsbeschleunigung auf 0,1 g kollabierte der Cluster jedoch. Die Quintessenz ist, dass sich während solcher Schwankungen die Last an der Basis des Bienenstocks nicht genug ändert, um die Bienen zur Bewegung zu bewegen. Das folgende Video zeigt, dass die Form des Clusters während des Schüttelns nahezu unverändert bleibt. Und wenn das kritische Beschleunigungsniveau erreicht ist, bricht der Bienenstock einfach zusammen. Einer der Faktoren, die Bienen beeinflussen, ist die Zeit, in der sie nicht genug hatten, um auf eine bereits kritische Belastung des Bienenstocks zu reagieren.


Die Zerstörung des Clusters während des Tests mit vertikalen Vibrationen.

Ergebnisse der Forscher

Unabhängig von der Frequenz oder Beschleunigung ändern die Bienen die Form des Clusters und machen ihn stabiler. Dies sieht nach einer sehr koordinierten Arbeit aus, aber die Teams erhalten keine Bienen aus einer Hand, sondern handeln völlig unabhängig, wenn auch auf eine einzige Weise. Der Hauptmotor ihrer Aktionen ist die Fähigkeit, lokale Verformungen der Struktur des Bienenstocks zu erfassen. Wenn diese Verformungen ein kritisches Niveau erreichen, stärken die Bienen den Cluster. Dies wird durch einen Test mit konstanten und intermittierenden Schocks bestätigt. Und die Tatsache, dass die Bienen mit einer Beschleunigung von weniger als 0,01 g in keiner Weise auf Schwankungen reagieren.

Wenn der Cluster vertikal geschüttelt wird, tritt eine andere Situation auf. Bienen reagieren nicht auf Verformungen, da die Belastung an der Basis die zulässige Norm nicht überschreitet.

Trotzdem waren die Forscher mit den Ergebnissen ihrer Arbeit zufrieden. Ihre Arbeit half, das Prinzip der mechanischen Anpassung zu verstehen. Demnach sind vom Menschen geschaffene Geräte den Bienen in dieser Angelegenheit unterlegen. Erstens reagiert die Biene als separater Teil des Mechanismus (Bienenstock) selbstständig auf die Bedrohung, ohne dass Befehle vom "Zentrum" erforderlich sind. Infolgedessen beginnen alle Bienen gleichzeitig, den Bienenstock wieder aufzubauen, damit er dem zerstörerischen Einfluss externer Faktoren standhält. Die Implementierung eines solchen Verhaltens als Algorithmus in vom Menschen geschaffenen Systemen würde den Kampf mit der Natur, der häufig ihren Charakter zeigt und Gebäude und Ausrüstung zerstört, erheblich vereinfachen.

Details der Studie sind im Bericht der Wissenschaftler und in zusätzlichen Materialien dazu enthalten.

Nachwort

Es ist nicht überraschend, Inspiration oder Ideen für moderne Technologie in der Natur zu finden. Viele Erfindungen begannen auf die eine oder andere Weise mit der Frage "wie man wiederholt, was die Natur von Insekten, Fischen, Vögeln usw. hat". Dieser Weg ist komplex und lang. Einmal wollte ein Mann, der in den Himmel blickte, wie ein Vogel fliegen und schuf Flügel. Zwar endeten die ersten Versuche für diese Enthusiasten leider. Aber schauen Sie, was wir jetzt haben - riesige Flugzeuge, die Hunderte von Menschen gleichzeitig über die Ozeane befördern. Dem ersten Träumer des Fliegens wurde aber auch gesagt, dass seine Ideen Unsinn seien. Selbst wenn man die Anpassung von Bienen an dynamische Effekte untersucht, egal wie seltsam sie klingen, wird sie früher oder später ihre praktische Anwendung in den Technologien der Zukunft finden. Vielleicht wird diese Studie in Verbindung mit der Nanotechnologie ein Material schaffen, das sich bei Erdbeben rekombinieren kann. Wer weiß. In jedem Fall ist eine gesunde Neugier und der Wunsch zu verstehen, wie die Welt um Sie herum funktioniert, großartig.

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