Ce sont les bonnes abeilles: adaptation mécanique aux effets dynamiques

Le développement de réseaux de neurones artificiels vise à recréer une sorte de cerveau artificiel. Tous les neurones sont connectés les uns aux autres, se transmettent des signaux et dépendent les uns des autres. Plus il y en aura, plus le réseau sera complexe et évolutif. Aujourd'hui, nous ne prêterons pas attention aux réseaux artificiels, mais à ceux que nous pouvons observer dans la nature, car une grande partie de la technologie humaine est empruntée précisément à partir de là. Mais que peut-on comparer au cerveau humain ou à un réseau neuronal artificiel? La réponse est non standard - un essaim d'abeilles. Séparément, les abeilles ne sont pas aussi intéressantes pour les scientifiques que dans un essaim. Nous savons tous à quel point l'essaim fonctionne en douceur et efficacement au profit de la ruche. Chaque abeille accomplit une tâche spécifique, ne dérange pas les autres, mais se complète avec le mécanisme général de la ruche, qui fonctionne sans arrêt. Aujourd'hui, nous allons comprendre une étude inhabituelle, essayant d'expliquer comment un essaim d'abeilles fait face aux dangers de l'environnement extérieur et comment les individus interagissent dans de telles situations. Quel danger l'abeille présente-t-elle pour les pauvres, comment s'en sortent-ils et qu'est-ce que cela signifie pour l'homme et la science? Nous chercherons des réponses dans le rapport. Allons-y.

Base d'étude

À première vue, une telle étude semble un peu stupide, car c'est essentiellement la réponse à la question "que se passera-t-il si vous piquez un bâton dans la ruche?". Eh bien, tout d'abord, cela ne vaut pas la peine, car les abeilles sont des créatures très délicates (et piquantes). Deuxièmement, toute créature vivante, comme tout appareil, fonctionne selon un certain algorithme. Dans le cas des abeilles, cet algorithme est commun à l'ensemble de l'essaim. Du point de vue des mathématiques, de la programmation et même de la mécanique, les abeilles sont très intéressantes. Par conséquent, nous ne gonflerons pas notre scepticisme et ne laisserons pas la curiosité l'emporter.


Abeille en mouvement

Les principaux personnages de l'étude étaient les abeilles Apis mellifera (ou simplement «abeilles européennes»), qui créent des ruches suspendues à des branches d'arbres et composées principalement d'abeilles elles-mêmes. Franchement, la construction est douteuse compte tenu des changements climatiques, des ennemis naturels, etc. Cependant, de telles ruches peuvent survivre très longtemps avec succès. La question se pose - comment? La réponse réside dans le collectivisme. Les chercheurs citent comme exemple certaines espèces de fourmis qui s'attachent les unes aux autres, créant des radeaux pour se déplacer le long de la surface de l'eau. Les espèces d'organismes vivants tels que les abeilles, les termites ou les fourmis sont des superorganismes, c'est-à-dire des organismes composés de nombreux organismes. C'est comparable aux pièces lego: une partie n'est rien, mais connectez-les dans un cluster et vous obtiendrez une étoile de la mort pour 3803 pièces.

Cependant, dans de tels systèmes biologiques, le principe «plus c'est mieux» ne fonctionne pas, car la surpopulation dans des conditions défavorables peut conduire au chaos et, par conséquent, à la mort de toute la colonie. Les abeilles développent leur colonie en colonisant littéralement les branches d'arbres voisines. Un groupe d'abeilles, dirigé par une reine, passe de la ruche mère à un nouvel endroit où elles forment une ruche satellite, dont le nombre peut atteindre 10 000 individus. Dans l'ancienne ruche, une nouvelle reine reine apparaît. Cela nous montre une fois de plus à quel point la ruche est lisse, en tant que système de nombreuses unités de travail.

Revenons à nos abeilles transformatrices de miel. Les scientifiques disent que l'on sait beaucoup de choses sur la façon dont ils forment de telles ruches inhabituelles lors de la relocalisation, mais peu de choses sont connues sur la stabilité de ces «bâtiments» par rapport aux effets dynamiques.


Image n ° 1

Les images 1a montrent des variations de la forme d'une grappe d'abeilles (essaim-ruche) pendant l'essaimage (créant une nouvelle colonie), qui ressemble généralement à un cône inversé ( 1b ).

Les changements de température pour ces abeilles ne sont pas un problème. Ils régulent la densité de l'essaim et de sa surface afin de maintenir une température stable en son centre, où vit la reine. Si la température ambiante augmente, par exemple en été, l'essaim se dilate, formant des sillons qui favorisent la circulation de l'air. En cas de pluie, les abeilles à l'extérieur de la grappe forment un «bouclier», grâce auquel l'humidité s'écoule simplement.

Ces capacités des abeilles sont connues, mais on ne sait pas très bien comment elles maintiennent la stabilité de l'amas en cas d'exposition dynamique. La destruction de l'amas peut provoquer la mort de l'essentiel de l'essaim. C'est ce que les scientifiques vont étudier.

Se préparer à l'expérience

Pour l'expérience, une salle a été préparée, sur le plateau sous le plafond duquel une reine-reine a été placée. Les abeilles ont été relâchées dans la pièce et ont commencé à former un amas, dont le processus est illustré sur les images 1c .

Un petit moteur est attaché à la carte, capable de la déplacer horizontalement et verticalement avec différentes fréquences (de 0,5 à 5 Hz) et différentes accélérations de gravité (de 0 à 0,1 g).


L'apparition de la configuration de l'expérience: A - mouvements horizontaux, B - vertical.


Impact mécanique sur la ruche: A - tremblement continu de l'amas lorsque la fréquence est stable et que l'accélération change; B - tremblement intermittent de l'amas, lorsque l'accélération est stable et que la fréquence change; C - une seule commotion cérébrale.

En activant le mode d'agitation horizontale, le cluster commence à osciller comme un pendule, avec une fréquence d'environ 1 Hz. Mais après quelques minutes, les abeilles s'adaptent au mode dynamique et changent la forme de la grappe en une forme plus plate, tandis que le nombre d'individus reste le même qu'avant le test.


Groupe de secousses horizontales: mise en forme

À la fin du test, les abeilles restaurent la forme initiale de la grappe en 30 à 120 minutes. Il convient de noter que le processus de récupération prend beaucoup plus de temps que le processus de formation de la forme «d'urgence».

Une analyse des données sur les commotions cérébrales constantes et intermittentes a montré que la réaction à la constante se produit beaucoup plus tôt. Avec les abeilles intermittentes ne commencent à reconstruire la grappe qu'après quelques chocs.


Image n ° 2

Le graphique 2a est un indicateur du changement de la zone de cluster basé sur en fonction du temps (A (t) / A (0), où A (t) est la zone après le test, A (0) est avant le test). Les couleurs des lignes correspondent à différentes fréquences de chocs périodiques.

Le graphique adjacent ( 2b ) montre les changements même avec une commotion cérébrale constante de l'amas. Ici, nous pouvons remarquer qu'à une accélération extrêmement faible (de l'ordre de 0,01 g), l'amas ne réagit en aucune façon, ce qui conduit à penser à l'existence d'un certain seuil d'activité. Si la dynamique n'atteint pas ce seuil, les abeilles ne le perçoivent pas comme un danger et ne commencent pas à reconstruire l'amas sous une forme plus stable. 2c est le système de coordonnées du cluster et des individus individuels.

Les chercheurs ont calculé une formule qui aidera à représenter mathématiquement le processus de mouvement de chaque abeille lors d'un impact dynamique sur la ruche. Cela est nécessaire pour comprendre la différence de réponse du cluster aux chocs constants et discontinus ( 2d ).

Après avoir analysé les trajectoires des abeilles, les scientifiques ont remarqué que le déplacement relatif entre les abeilles en haut de la grappe et les abeilles à la base est beaucoup plus important dans le cas où il est allongé, c'est-à-dire avant le test. L'enquête a confirmé que l'adaptation mécanique de l'essaim permet de niveler les déformations locales de l'amas (déformation et déplacement normaux) lors du passage à un état plat, c'est-à-dire pendant et après l'essai.

Au moment des tremblements, les abeilles commencent à se déplacer vers la base de la ruche, ce qui a été déterminé par le suivi des individus ( 2e ).


Le mouvement des individus vers la base du cluster.

Cette observation confirme la raison de ce comportement - un sentiment de déformation. Plus précisément, l'abeille sent qu'un écart est apparu entre elle et l'individu voisin, ce qui ne devrait pas l'être. Cela la pousse à se déplacer vers la base afin de renforcer la ruche. Pourquoi à la base? Le groupe d'abeilles peut être représenté sous la forme d'un schéma (2f), dans lequel les zones rouge clair sont les zones avec la charge la plus élevée et les zones sombres avec la plus petite. Les abeilles savent dans quelle section de la ruche la charge sur sa structure est la plus importante, vous devez donc vous y déplacer pour renforcer cette zone.

Ayant compris le principe décrit ci-dessus du comportement des abeilles, les scientifiques posent une nouvelle question - quel devrait être le déplacement relatif pour que l'abeille réponde?



Tout d'abord, les chercheurs rappellent que les principales caractéristiques dynamiques d'un cône flexible suspendu sont similaires à un pendule lors du déplacement d'un côté à l'autre, et lorsque vous vous déplacez vers le bas et vers le haut avec un ressort.

L'image ci-dessus montre un modèle en grappes dans lequel chaque abeille individuelle est représentée comme un corps sphérique, qui est influencé par trois forces: la force de gravité, la force d'attraction entre les corps adjacents et la force pour empêcher la pénétration d'un corps dans un autre.

Le modèle mathématique a révélé un fait intéressant: l'amplitude maximale des charges locales augmente lorsque le groupe s'allonge. Ce sont donc ces charges qui servent de signal aux abeilles.


Démonstration du déplacement de grappe lors de la simulation informatique .


Image n ° 3: modèle informatique.

Comme le montre la simulation 3a , la déformation normale (doit être égale à 0) lors des oscillations horizontales augmente précisément à la base. 3b montre les changements de cisaillement pendant l'oscillation horizontale. On voit ici que ce type de déformation n'est pas si important. Le graphique 3c montre les changements de déformation normale et de cisaillement dans le contexte du déplacement de la ruche de sa position d'origine.

Chaque sphère dans un modèle informatique mathématique est une abeille distincte, comme mentionné précédemment. Il a mis en œuvre une règle de comportement - pour se déplacer vers des zones où la charge commence à augmenter au-dessus d'un niveau critique. En conséquence, le modèle a montré ce qui pouvait être observé en direct avec des abeilles ( 3d ). Les graphiques du 3e montrent comment la surface de la ruche à la base et la proportion d'abeilles qui se sont déplacées vers elle ont changé (correspond au graphique 2e).


Image n ° 4: vibrations verticales.

Au cours de l'expérience de balancement vertical de la ruche, l'accélération n'était pas supérieure à 0,05 g. En conséquence, les biais observés étaient très insignifiants. Cela peut être vu sur les photos de la 4a, où pendant 30 minutes la forme de la ruche n'a pas changé.

Cependant, avec une augmentation de l'accélération gravitationnelle à 0,1 g, l'amas s'est effondré. L'essentiel, c'est que lors de telles fluctuations, la charge à la base de la ruche ne change pas suffisamment pour provoquer le déplacement des abeilles. La vidéo ci-dessous montre que la forme de la grappe reste presque inchangée pendant le tremblement. Et lorsque le niveau critique d'accélération est atteint, la ruche s'effondre simplement. L'un des facteurs affectant les abeilles est le temps qu'elles n'ont pas eu assez pour réagir à un niveau de charge déjà critique sur la ruche.


La destruction de l'amas lors du test avec vibrations verticales.

Résultats des chercheurs

Quelle que soit la fréquence ou l'accélération, les abeilles changent la forme de l'amas, le rendant plus stable. Cela ressemble à un travail très coordonné, mais les équipes ne reçoivent pas les abeilles d'une seule source, mais agissent de manière totalement indépendante, bien que d'une seule manière. Le moteur principal de leurs actions est la capacité de détecter les déformations locales de la structure de la ruche. Lorsque ces déformations atteignent un niveau critique, les abeilles renforcent le cluster. Ceci est confirmé par un test à chocs constants et intermittents. Et le fait que les abeilles ne réagiront en aucune façon aux fluctuations avec une accélération inférieure à 0,01 g.

Si le cluster est secoué verticalement, une situation différente se produit. Les abeilles ne répondront pas aux déformations, car la charge à la base ne dépassera pas la norme autorisée.

Les chercheurs, malgré cela, étaient satisfaits des résultats de leurs travaux. Leur travail a permis de comprendre le principe de l'adaptation mécanique. Selon eux, les appareils créés par l'homme sont inférieurs aux abeilles en la matière. Premièrement, l'abeille, en tant que partie distincte du mécanisme (ruche), réagit seule à la menace, sans exiger de commandes du "centre". En conséquence, toutes les abeilles commencent simultanément à reconstruire la ruche afin qu'elle puisse résister à l'influence destructrice de facteurs externes. La mise en œuvre d'un tel comportement comme algorithme dans des systèmes créés par l'homme simplifierait considérablement la lutte avec la nature, qui montre bien souvent son caractère, détruisant les bâtiments et les équipements.

Les détails de l'étude sont disponibles dans le rapport des scientifiques et dans des documents supplémentaires .

Épilogue

Il n'y a rien de surprenant à trouver de l'inspiration ou des idées pour la technologie moderne dans la nature. De nombreuses inventions, d'une manière ou d'une autre, ont commencé par la question «comment répéter ce que la nature a des insectes, des poissons, des oiseaux, etc.». Ce chemin est complexe et long. Une fois, en regardant le ciel, un homme a voulu voler comme un oiseau et a créé des ailes. Certes, les premières tentatives se sont malheureusement terminées pour ces passionnés. Mais regardez ce que nous avons maintenant - d'énormes avions transportant des centaines de personnes à la fois à travers les océans. Mais le premier rêveur de voler a également été informé que ses idées étaient absurdes. Par conséquent, même en étudiant l'adaptation des abeilles aux effets dynamiques, aussi étrange que cela puisse paraître, on trouvera tôt ou tard son application pratique dans les technologies du futur. Peut-être que cette étude, conjointement avec la nanotechnologie, créera un matériau qui peut se recombiner pendant les tremblements de terre. Qui sait. En tout cas, une saine curiosité et un désir de comprendre comment fonctionne le monde qui vous entoure est formidable.

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