Ini adalah lebah yang tepat: adaptasi mekanis terhadap efek dinamis

Pengembangan jaringan saraf tiruan bertujuan untuk menciptakan kembali semacam otak buatan. Semua neuron terhubung satu sama lain, mengirimkan sinyal satu sama lain dan bergantung satu sama lain. Semakin banyak, semakin kompleks dan perkembangan jaringannya. Hari ini kita akan memperhatikan bukan pada jaringan buatan, tetapi pada yang bisa kita amati di alam, karena banyak teknologi manusia yang dipinjam tepat dari sana. Tapi apa yang bisa dibandingkan dengan otak manusia atau dengan jaringan saraf tiruan? Jawabannya tidak standar - segerombolan lebah. Secara terpisah, lebah tidak menarik bagi para ilmuwan seperti halnya di kawanan. Kita semua tahu betapa lancar dan efektifnya kawanan itu bekerja untuk kepentingan sarang. Setiap lebah melakukan tugas tertentu, tidak mengganggu yang lain, tetapi melengkapi dirinya dengan mekanisme umum sarang, yang bekerja tanpa henti. Hari ini kita akan memahami penelitian yang tidak biasa, mencoba menjelaskan bagaimana segerombolan lebah mengatasi bahaya lingkungan eksternal dan bagaimana individu berinteraksi dalam situasi seperti itu. Bahaya apa yang dihadirkan lebah kepada orang miskin, bagaimana mereka menghadapinya, dan apa artinya ini bagi manusia dan sains? Kami akan mencari jawaban dalam laporan. Ayo pergi.

Dasar studi

Pada pandangan pertama, penelitian semacam itu tampaknya sedikit bodoh, karena pada dasarnya itu adalah jawaban untuk pertanyaan "apa yang akan terjadi jika Anda menusuk tongkat di sarang?". Yah, pertama, ini tidak layak dilakukan, karena lebah adalah makhluk yang sangat sensitif (dan menyengat). Kedua, semua makhluk hidup, seperti perangkat apa pun, bekerja sesuai dengan algoritma tertentu. Dalam kasus lebah, algoritme ini umum untuk seluruh kawanan. Dari sudut pandang matematika, pemrograman, dan bahkan mekanika, lebah sangat menarik. Karena itu, kami tidak akan mengembang skeptis kami dan membiarkan rasa ingin tahu menang.


Lebah bergerak

Karakter utama penelitian ini adalah lebah Apis mellifera (atau hanya “lebah madu Eropa”), yang membuat sarang lebah tergantung dari cabang-cabang pohon dan sebagian besar terdiri dari lebah itu sendiri. Terus terang, konstruksinya meragukan mengingat perubahan cuaca, musuh alami, dll. Namun, sarang seperti itu dapat bertahan sangat sukses untuk waktu yang lama. Timbul pertanyaan - bagaimana? Jawabannya terletak pada kolektivisme. Para peneliti mengutip sebagai contoh beberapa spesies semut yang saling menempel, menciptakan rakit untuk bergerak di sepanjang permukaan air. Spesies organisme hidup seperti lebah, rayap atau semut adalah superorganisme, yaitu organisme yang terdiri dari banyak organisme. Ini sebanding dengan bagian lego: satu bagian tidak ada apa-apanya, tetapi hubungkan mereka ke sebuah cluster dan Anda akan mendapatkan bintang kematian untuk 3803 bagian.

Namun, dalam sistem biologis seperti itu, prinsip "semakin banyak semakin baik" tidak berhasil, karena kelebihan populasi dalam kondisi buruk dapat menyebabkan kekacauan dan, sebagai akibatnya, kematian seluruh koloni. Lebah madu memperluas koloninya dengan secara harfiah menjajah cabang-cabang pohon di sekitarnya. Sekelompok lebah, dipimpin oleh seorang ratu, pindah dari sarang induk ke tempat baru di mana mereka membentuk sarang satelit, yang jumlahnya dapat mencapai 10.000 individu. Dalam sarang lama, ratu ratu baru muncul. Ini sekali lagi menunjukkan kepada kita betapa halus sarangnya, sebagai sistem dari banyak unit kerja.

Mari kita kembali ke lebah transformator madu kita. Para ilmuwan mengatakan bahwa banyak yang diketahui tentang bagaimana mereka membentuk sarang yang tidak biasa selama relokasi, tetapi sedikit yang diketahui tentang stabilitas "bangunan" tersebut sehubungan dengan efek dinamis.


Gambar No. 1

Gambar 1a menunjukkan variasi dalam bentuk cluster lebah (sarang lebah) selama berkeliaran (membuat koloni baru), yang biasanya terlihat seperti kerucut terbalik ( 1b ).

Perubahan suhu untuk lebah ini tidak menjadi masalah. Mereka mengatur kepadatan kawanan dan wilayahnya untuk menjaga suhu stabil di tengahnya, tempat tinggal sang ratu. Jika suhu sekitar naik, misalnya di musim panas, gerombolan mengembang, membentuk beberapa alur yang meningkatkan sirkulasi udara. Jika terjadi hujan, lebah di bagian luar gugus membentuk "perisai", yang menyebabkan kelembaban hanya mengalir.

Kemampuan lebah ini diketahui, tetapi tidak sepenuhnya jelas bagaimana mereka menjaga stabilitas cluster jika terjadi paparan dinamis. Penghancuran cluster dapat menyebabkan kematian hampir seluruh kawanan. Itulah yang akan diselidiki para ilmuwan.

Mempersiapkan percobaan

Untuk percobaan, sebuah ruangan disiapkan, di papan di bawah langit-langit tempat ratu-ratu ditempatkan. Lebah dilepaskan ke dalam ruangan dan mulai membentuk sebuah cluster, proses yang ditunjukkan pada gambar 1c .

Sebuah motor kecil terpasang ke papan, mampu menggerakkannya secara horizontal dan vertikal dengan frekuensi yang berbeda (dari 0,5 hingga 5 Hz) dan percepatan gravitasi yang berbeda (dari 0 hingga 0,1 g).


Tampilan pengaturan untuk percobaan: A - gerakan horisontal, B - vertikal.


Dampak mekanis pada sarang: A - tremor berkesinambungan gugusan ketika frekuensinya stabil dan akselerasi berubah; B - tremor terputus-putus cluster, ketika akselerasi stabil, dan frekuensinya berubah; C - gegar otak tunggal.

Mengaktifkan mode guncangan horizontal, kluster mulai berayun seperti pendulum, dengan frekuensi sekitar 1 Hz. Tetapi setelah beberapa menit, lebah beradaptasi dengan mode dinamis dan mengubah bentuk klaster menjadi yang lebih datar, sementara jumlah individu tetap sama seperti sebelum tes.


Horizontal Shake Cluster: Shape Shaping

Setelah menyelesaikan tes, lebah mengembalikan bentuk awal cluster dalam waktu 30-120 menit. Perlu dicatat bahwa proses pemulihan memakan waktu lebih lama daripada proses pembentukan bentuk "darurat".

Analisis data dari gegar otak yang konstan dan terputus-putus menunjukkan bahwa reaksi terhadap suatu konstanta terjadi jauh lebih awal. Dengan lebah berselang mulai membangun kembali cluster hanya setelah beberapa guncangan.


Gambar No. 2

Grafik 2a adalah indikator perubahan area klaster berdasarkan fungsi waktu (A (t) / A (0), di mana A (t) adalah area setelah pengujian, A (0) sebelum pengujian). Warna garis sesuai dengan frekuensi guncangan periodik yang berbeda.

Grafik yang berdekatan ( 2b ) menunjukkan perubahan bahkan dengan gegar otak yang konstan. Di sini kita dapat melihat bahwa pada akselerasi yang sangat rendah (dari urutan 0,01 g), kluster tidak bereaksi dengan cara apa pun, yang mengarah ke pemikiran tentang keberadaan ambang aktivitas tertentu. Jika dinamika tidak mencapai ambang ini, lebah tidak menganggapnya sebagai bahaya dan tidak mulai membangun kembali cluster dalam bentuk yang lebih stabil. 2c adalah sistem koordinat cluster dan individu individu.

Para peneliti menghitung formula yang akan membantu secara matematis mewakili proses pergerakan setiap lebah selama dampak dinamis pada sarang. Hal ini diperlukan untuk memahami perbedaan respons gugus terhadap guncangan konstan dan tidak kontinyu ( 2d ).

Setelah menganalisis lintasan lebah, para ilmuwan memperhatikan bahwa perpindahan relatif antara lebah di bagian atas cluster dan lebah di pangkalan jauh lebih besar dalam kasus ketika memanjang, yaitu, sebelum pengujian. Survei mengkonfirmasi bahwa adaptasi mekanis dari gerombolan memungkinkan untuk meratakan deformasi lokal cluster (deformasi normal dan perpindahan) selama transisi ke keadaan datar, yaitu, selama dan setelah pengujian.

Pada saat tremor, lebah mulai bergerak ke pangkal sarang, yang ditentukan dengan melacak individu individu ( 2e ).


Pergerakan individu ke dasar cluster.

Pengamatan ini menegaskan alasan perilaku ini - rasa deformasi. Lebih tepatnya, lebah merasa bahwa ada celah yang muncul antara itu dan individu yang bertetangga, yang seharusnya tidak. Ini memprovokasi dia untuk pindah ke pangkalan untuk memperkuat sarang. Mengapa ke markas? Cluster lebah dapat direpresentasikan dalam bentuk skema (2f), di mana area merah terang adalah zona dengan beban tertinggi, dan yang gelap dengan yang terkecil. Lebah tahu di bagian mana dari sarang beban pada strukturnya adalah yang terbesar, jadi Anda harus pindah ke sana untuk memperkuat area ini.

Setelah memahami prinsip perilaku lebah yang dijelaskan di atas, para ilmuwan mengajukan pertanyaan baru - apa yang seharusnya menjadi perpindahan relatif bagi lebah untuk merespons?



Pertama-tama, para peneliti ingat bahwa karakteristik dinamis utama dari kerucut fleksibel yang ditangguhkan mirip dengan pendulum ketika bergerak dari sisi ke sisi, dan ketika bergerak ke bawah dan ke atas dengan pegas.

Gambar di atas menunjukkan model klaster di mana setiap individu lebah direpresentasikan sebagai benda bulat, yang dipengaruhi oleh tiga kekuatan: gaya gravitasi, gaya tarik-menarik antara benda-benda yang berdekatan dan gaya untuk mencegah penetrasi satu tubuh ke tubuh lainnya.

Model matematika mengungkapkan fakta yang menarik - amplitudo maksimum beban lokal meningkat ketika cluster menjadi memanjang. Jadi, beban inilah yang berfungsi sebagai sinyal bagi lebah.


Demonstrasi perpindahan cluster selama simulasi komputer .


Gambar No. 3: model komputer.

Seperti yang dapat dilihat dari simulasi 3a , deformasi normal (harus sama dengan 0) selama osilasi horisontal meningkat tepat pada dasarnya. 3b menunjukkan perubahan geser selama osilasi horizontal. Di sini kita melihat bahwa jenis deformasi ini tidak begitu signifikan. Grafik 3c menunjukkan perubahan deformasi normal dan geser dalam konteks perpindahan sarang dari posisi semula.

Setiap bola dalam model komputer matematika adalah lebah yang terpisah, seperti yang disebutkan sebelumnya. Dia menerapkan aturan perilaku - untuk pindah ke area di mana beban mulai meningkat di atas level kritis. Hasilnya, model menunjukkan apa yang bisa diamati hidup dengan lebah ( 3d ). Grafik pada 3e menunjukkan bagaimana area sarang di pangkalan dan proporsi lebah yang bergerak ke arahnya berubah (sesuai dengan grafik 2e).


Gambar No. 4: getaran vertikal.

Selama percobaan dengan ayunan vertikal sarang, akselerasi tidak lebih dari 0,05 g. Akibatnya, bias yang diamati sangat tidak signifikan. Ini dapat dilihat pada gambar di 4a, di mana selama 30 menit bentuk sarangnya tidak berubah.

Namun, dengan peningkatan percepatan gravitasi menjadi 0,1 g, kluster itu runtuh. Intinya adalah bahwa selama fluktuasi seperti itu, beban di dasar sarang tidak cukup berubah untuk memicu lebah bergerak. Video di bawah ini menunjukkan bahwa bentuk cluster hampir tidak berubah selama bergetar. Dan ketika tingkat kritis akselerasi tercapai, sarang hanya runtuh. Salah satu faktor yang mempengaruhi lebah adalah waktu mereka tidak memiliki cukup bereaksi untuk tingkat beban kritis pada sarang.


Penghancuran gugus selama pengujian dengan getaran vertikal.

Temuan Peneliti

Terlepas dari frekuensi atau akselerasi, lebah mengubah bentuk cluster, membuatnya lebih stabil. Ini terlihat seperti pekerjaan yang sangat terkoordinasi, tetapi tim tidak menerima lebah dari satu sumber, tetapi bertindak sepenuhnya independen, meskipun dalam satu cara. Mesin utama dari tindakan mereka adalah kemampuan untuk merasakan deformasi lokal dari struktur sarang. Ketika deformasi ini mencapai tingkat kritis, lebah memperkuat cluster. Hal ini dikonfirmasi oleh tes dengan guncangan konstan dan intermiten. Dan fakta bahwa lebah tidak akan bereaksi dengan cara apa pun terhadap fluktuasi dengan akselerasi kurang dari 0,01 g.

Jika cluster terguncang secara vertikal, situasi yang berbeda muncul. Lebah tidak akan menanggapi deformasi, karena beban di pangkalan tidak akan melebihi norma yang diizinkan.

Para peneliti, meskipun demikian, puas dengan hasil pekerjaan mereka. Pekerjaan mereka membantu memahami prinsip adaptasi mekanis. Menurut mereka, perangkat yang dibuat oleh manusia lebih rendah daripada lebah dalam hal ini. Pertama, lebah, sebagai bagian terpisah dari mekanisme (sarang), merespons ancaman itu sendiri, tanpa memerlukan perintah dari "pusat". Akibatnya, semua lebah secara bersamaan mulai membangun kembali sarang sehingga dapat menahan pengaruh destruktif dari faktor-faktor eksternal. Implementasi perilaku seperti itu sebagai algoritma dalam sistem yang diciptakan oleh manusia akan sangat menyederhanakan perjuangan dengan alam, yang cukup sering menunjukkan karakternya, menghancurkan bangunan dan peralatan.

Rincian penelitian ini tersedia dalam laporan para ilmuwan dan bahan tambahan untuk itu.

Epilog

Tidak ada yang mengejutkan dalam menemukan inspirasi atau ide untuk teknologi modern di alam. Banyak penemuan, dengan satu atau lain cara, dimulai dengan pertanyaan "bagaimana mengulangi apa yang dimiliki alam dari serangga, ikan, burung, dll.". Jalan ini rumit dan panjang. Suatu ketika, melihat ke langit, seorang pria ingin terbang seperti burung, dan menciptakan sayap. Benar, upaya pertama berakhir dengan sedih untuk para penggemar ini. Tapi lihat apa yang kita miliki sekarang - pesawat besar yang mengangkut ratusan orang sekaligus melintasi lautan. Tetapi pemimpi terbang pertama juga diberi tahu bahwa idenya tidak masuk akal. Karena itu, bahkan mempelajari adaptasi lebah terhadap efek dinamis, tidak peduli seberapa aneh kedengarannya, cepat atau lambat akan menemukan aplikasi praktisnya dalam teknologi masa depan. Mungkin penelitian ini, bersama dengan nanoteknologi, akan menciptakan bahan yang dapat bergabung kembali selama gempa bumi. Siapa tahu. Bagaimanapun, rasa ingin tahu yang sehat dan keinginan untuk memahami bagaimana dunia di sekitar Anda bekerja sangat baik.

Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikannya kepada teman-teman Anda, diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami temukan untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana membagi server? (pilihan tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps hingga Desember secara gratis ketika membayar untuk jangka waktu enam bulan, Anda dapat memesan di sini .

Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 249 di Belanda dan Amerika Serikat! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?