Estas son las abejas correctas: adaptación mecánica a los efectos dinámicos.

El desarrollo de redes neuronales artificiales tiene como objetivo recrear una especie de cerebro artificial. Todas las neuronas están conectadas entre sí, transmiten señales entre sí y dependen unas de otras. Cuanto más haya, más compleja y desarrollada será la red. Hoy prestaremos atención no a las redes artificiales, sino a aquellas que podemos observar en la naturaleza, porque gran parte de la tecnología humana se toma prestada precisamente de allí. Pero, ¿qué se puede comparar con el cerebro humano o con una red neuronal artificial? La respuesta no es estándar: un enjambre de abejas. Por separado, las abejas no son tan interesantes para los científicos como en un enjambre. Todos sabemos con qué suavidad y eficacia funciona el enjambre en beneficio de la colmena. Cada abeja realiza una tarea específica, sin molestar a los demás, sino que se complementa con el mecanismo general de la colmena, que funciona sin parar. Hoy entenderemos un estudio inusual, tratando de explicar cómo un enjambre de abejas hace frente a los peligros del entorno externo y cómo las personas interactúan en tales situaciones. ¿Qué peligro representaba la abeja para los pobres, cómo lo enfrentaron y qué significa esto para el hombre y la ciencia? Buscaremos respuestas en el informe. Vamos

Base de estudio

A primera vista, tal estudio parece un poco estúpido, porque en esencia es la respuesta a la pregunta "¿qué pasará si golpeas un palo en la colmena?". Bueno, en primer lugar, no vale la pena hacerlo, ya que las abejas son criaturas muy sensibles (y picantes). En segundo lugar, cualquier criatura viviente, como cualquier dispositivo, funciona de acuerdo con cierto algoritmo. En el caso de las abejas, este algoritmo es común a todo el enjambre. Desde el punto de vista de las matemáticas, la programación e incluso la mecánica, las abejas son muy interesantes. Por lo tanto, no inflaremos nuestro escepticismo y dejaremos que prevalezca la curiosidad.


Abeja en movimiento

Los personajes principales del estudio fueron las abejas Apis mellifera (o simplemente "abejas melíferas europeas"), que crean colmenas que cuelgan de las ramas de los árboles y que consisten principalmente en abejas. Hablando francamente, la construcción es dudosa dados los cambios climáticos, los enemigos naturales, etc. Sin embargo, tales colmenas pueden sobrevivir con mucho éxito durante mucho tiempo. Surge la pregunta: ¿cómo? La respuesta está en el colectivismo. Los investigadores citan como ejemplo algunas especies de hormigas que se unen entre sí, creando balsas para moverse a lo largo de la superficie del agua. Las especies de organismos vivos como las abejas, las termitas o las hormigas son superorganismos, es decir, organismos que consisten en muchos organismos. Esto es comparable a las partes de lego: una parte no es nada, pero conéctalas en un grupo y obtendrás una estrella de la muerte por 3803 partes.

Sin embargo, en tales sistemas biológicos, el principio "cuanto más mejor" no funciona, ya que la sobrepoblación en condiciones adversas puede conducir al caos y, como resultado, a la muerte de toda la colonia. Las abejas melíferas expanden su colonia literalmente colonizando las ramas de los árboles vecinos. Un grupo de abejas, encabezado por una reina, se traslada de la colmena madre a un nuevo lugar donde forman una colmena satélite, cuyo número puede llegar a 10,000 individuos. En la vieja colmena, aparece una nueva reina reina. Una vez más, esto nos muestra lo suave que es la colmena, como un sistema de muchas unidades de trabajo.

Volvamos a nuestras abejas transformadoras de miel. Los científicos dicen que se sabe mucho sobre cómo forman colmenas tan inusuales durante la reubicación, pero se sabe poco sobre la estabilidad de tales "edificios" con respecto a los efectos dinámicos.


Imagen No. 1

Las imágenes 1a muestran variaciones en la forma de un racimo de abejas (colmena enjambre) durante el enjambre (creando una nueva colonia), que generalmente se parece a un cono invertido ( 1b ).

Los cambios de temperatura para estas abejas no son un problema. Regulan la densidad del enjambre y su área para mantener una temperatura estable en su centro, donde vive la reina. Si la temperatura ambiente aumenta, por ejemplo en el verano, el enjambre se expande, formando algunos surcos que promueven la circulación del aire. En caso de lluvia, las abejas en el exterior del racimo forman un "escudo", debido a que la humedad simplemente drena.

Estas habilidades de las abejas son conocidas, pero no está completamente claro cómo mantienen la estabilidad del grupo en caso de exposición dinámica. La destrucción del grupo puede causar la muerte de casi todo el enjambre. Eso es lo que los científicos investigarán.

Preparándose para el experimento

Para el experimento, se preparó una habitación, en el tablero debajo del techo del cual se colocó una reina-reina. Las abejas fueron liberadas en la habitación y comenzaron a formar un grupo, cuyo proceso se muestra en las imágenes 1c .

Un pequeño motor está conectado al tablero, capaz de moverlo horizontal y verticalmente con diferentes frecuencias (de 0.5 a 5 Hz) y diferente aceleración de la gravedad (de 0 a 0.1 g).


La apariencia de la configuración para el experimento: A - movimientos horizontales, B - vertical.


Impacto mecánico en la colmena: A - temblor continuo del grupo cuando la frecuencia es estable y la aceleración cambia; B - temblor intermitente del grupo, cuando la aceleración es estable y la frecuencia cambia; C - una sola conmoción cerebral.

Al activar el modo de agitación horizontal, el grupo comienza a oscilar como un péndulo, con una frecuencia de aproximadamente 1 Hz. Pero después de unos minutos, las abejas se adaptan al modo dinámico y cambian la forma del racimo a una más plana, mientras que el número de individuos sigue siendo el mismo que antes de la prueba.


Agrupación horizontal de sacudidas: conformación de formas

Al finalizar la prueba, las abejas restauran la forma inicial del racimo en 30-120 minutos. Cabe señalar que el proceso de recuperación lleva mucho más tiempo que el proceso de formación de la forma de "emergencia".

El análisis de los datos de una conmoción cerebral constante e intermitente mostró que la reacción a una constante ocurre mucho antes. Con las abejas intermitentes, comienzan a reconstruir el racimo solo después de algunos golpes.


Imagen No. 2

El gráfico 2a es un indicador del cambio en el área del grupo basado en función del tiempo (A (t) / A (0), donde A (t) es el área después de la prueba, A (0) es antes de la prueba). Los colores de las líneas corresponden a diferentes frecuencias de choques periódicos.

El gráfico adyacente ( 2b ) muestra los cambios incluso con una conmoción cerebral constante del grupo. Aquí podemos notar que a una aceleración extremadamente baja (del orden de 0.01 g), el grupo no reacciona de ninguna manera, lo que lleva a pensar en la existencia de un cierto umbral de actividad. Si la dinámica no alcanza este umbral, las abejas no lo perciben como un peligro y no comienzan a reconstruir el grupo en una forma más estable. 2c es el sistema de coordenadas del grupo y los individuos individuales.

Los investigadores calcularon una fórmula que ayudará a representar matemáticamente el proceso de movimiento de cada abeja durante un impacto dinámico en la colmena. Esto es necesario para comprender la diferencia en la respuesta del clúster a los choques constantes y discontinuos ( 2d ).

Después de analizar las trayectorias de las abejas, los científicos notaron que el desplazamiento relativo entre las abejas en la parte superior del racimo y las abejas en la base es mucho mayor en el caso cuando se alarga, es decir, antes de la prueba. La encuesta confirmó que la adaptación mecánica del enjambre permite nivelar las deformaciones locales del grupo (deformación y desplazamiento normales) tras la transición a un estado plano, es decir, durante y después de la prueba.

En el momento de los temblores, las abejas comienzan a moverse hacia la base de la colmena, que se determinó rastreando individuos individuales ( 2e ).


El movimiento de los individuos a la base del grupo.

Esta observación confirma la razón de este comportamiento: una sensación de deformación. Más precisamente, la abeja siente que ha aparecido una brecha entre él y el individuo vecino, lo que no debería ser. Esto la provoca a moverse a la base para fortalecer la colmena. ¿Por qué a la base? El grupo de abejas se puede representar en forma de un esquema (2f), en el que las áreas de color rojo claro son las zonas con la carga más alta, y las oscuras con la más pequeña. Las abejas saben en qué sección de la colmena la carga en su estructura es la más grande, por lo que debe moverse para fortalecer esta área.

Habiendo entendido el principio descrito anteriormente del comportamiento de las abejas, los científicos están haciendo una nueva pregunta: ¿cuál debería ser el desplazamiento relativo para que la abeja responda?



En primer lugar, los investigadores recuerdan que las principales características dinámicas de un cono flexible suspendido son similares a un péndulo cuando se mueven de lado a lado, y cuando se mueven hacia arriba y hacia abajo con un resorte.

La imagen de arriba muestra un modelo de racimo en el que cada abeja individual se representa como un cuerpo esférico, que está influenciado por tres fuerzas: la fuerza de la gravedad, la fuerza de atracción entre los cuerpos adyacentes y la fuerza para evitar la penetración de un cuerpo en otro.

El modelo matemático reveló un hecho interesante: la amplitud máxima de las cargas locales aumenta cuando el grupo se alarga. Por lo tanto, son estas cargas las que sirven como señal para las abejas.


Demostración de desplazamiento de racimo durante la simulación por computadora .


Imagen No. 3: modelo de computadora.

Como se puede ver en la simulación 3a , la deformación normal (debería ser igual a 0) durante las oscilaciones horizontales aumenta precisamente en la base. 3b muestra cambios de corte durante la oscilación horizontal. Aquí vemos que este tipo de deformación no es tan significativa. El gráfico 3c muestra los cambios en la deformación normal y el corte en el contexto del desplazamiento de la colmena desde su posición original.

Cada esfera en un modelo matemático de computadora es una abeja separada, como se mencionó anteriormente. Implementó una regla de comportamiento: moverse a áreas donde la carga comienza a aumentar por encima de un nivel crítico. Como resultado, el modelo mostró lo que se podía observar en vivo con las abejas ( 3d ). Los gráficos en 3e muestran cómo cambió el área de la colmena en la base y la proporción de abejas que se movieron hacia ella (corresponde al gráfico 2e).


Imagen No. 4: vibraciones verticales.

Durante el experimento con el balanceo vertical de la colmena, la aceleración no fue más de 0.05 g. Como resultado, los sesgos observados fueron muy insignificantes. Esto se puede ver en las imágenes de 4a, donde durante 30 minutos la forma de la colmena no ha cambiado.

Sin embargo, con un aumento en la aceleración gravitacional a 0.1 g, el clúster colapsó. La conclusión es que durante tales fluctuaciones, la carga en la base de la colmena no cambia lo suficiente como para provocar que las abejas se muevan. El siguiente video muestra que la forma del clúster permanece casi sin cambios durante la agitación. Y cuando se alcanza el nivel crítico de aceleración, la colmena simplemente colapsa. Uno de los factores que afectan a las abejas es el tiempo que no tuvieron suficiente para reaccionar a un nivel de carga ya crítico en la colmena.


La destrucción del racimo durante la prueba con vibraciones verticales.

Resultados de los investigadores

Independientemente de la frecuencia o aceleración, las abejas cambian la forma del racimo, haciéndolo más estable. Esto parece un trabajo muy coordinado, pero los equipos no reciben abejas de una sola fuente, sino que actúan de manera completamente independiente, aunque de una sola manera. El motor principal de sus acciones es la capacidad de detectar deformaciones locales de la estructura de la colmena. Cuando estas deformaciones alcanzan un nivel crítico, las abejas fortalecen el racimo. Esto se confirma mediante una prueba con choques constantes e intermitentes. Y el hecho de que las abejas no reaccionarán de ninguna manera a las fluctuaciones con una aceleración de menos de 0.01 g.

Si el clúster se agita verticalmente, surge una situación diferente. Las abejas no responderán a las deformaciones, ya que la carga en la base no excederá la norma permitida.

Los investigadores, a pesar de esto, estaban satisfechos con los resultados de su trabajo. Su trabajo ayudó a comprender el principio de adaptación mecánica. Según ellos, los dispositivos creados por el hombre son inferiores a las abejas en este asunto. Primero, la abeja, como una parte separada del mecanismo (colmena), responde a la amenaza por sí misma, sin requerir comandos del "centro". Como resultado, todas las abejas comienzan simultáneamente a reconstruir la colmena para que pueda resistir la influencia destructiva de factores externos. La implementación de tal comportamiento como un algoritmo en sistemas creados por el hombre simplificaría en gran medida la lucha con la naturaleza, que a menudo muestra su carácter, destruyendo edificios y equipos.

Los detalles del estudio están disponibles en el informe de los científicos y en materiales adicionales .

Epílogo

No hay nada sorprendente en encontrar inspiración o ideas para la tecnología moderna en la naturaleza. Muchos inventos, de una forma u otra, comenzaron con la pregunta "cómo repetir lo que la naturaleza tiene de los insectos, peces, pájaros, etc.". Este camino es complejo y largo. Una vez, mirando al cielo, un hombre quería volar como un pájaro y creó alas. Es cierto que los primeros intentos terminaron tristemente para estos entusiastas. Pero mira lo que tenemos ahora: enormes aviones que transportan a cientos de personas a la vez a través de los océanos. Pero al primer soñador de volar también le dijeron que sus ideas no tenían sentido. Por lo tanto, incluso estudiando la adaptación de las abejas a los efectos dinámicos, no importa cuán extraño suene, tarde o temprano encontrará su aplicación práctica en las tecnologías del futuro. Quizás este estudio, junto con la nanotecnología, creará un material que pueda recombinarse durante los terremotos. Quien sabe En cualquier caso, una gran curiosidad y un deseo de entender cómo funciona el mundo que te rodea es genial.

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