Estas são as abelhas certas: adaptação mecânica a efeitos dinâmicos

O desenvolvimento de redes neurais artificiais visa recriar um tipo de cérebro artificial. Todos os neurônios estão conectados um ao outro, transmitem sinais um ao outro e dependem um do outro. Quanto mais houver, mais complexa e desenvolverá a rede. Hoje vamos prestar atenção não às redes artificiais, mas àquelas que podemos observar na natureza, porque grande parte da tecnologia humana é emprestada exatamente a partir daí. Mas o que pode ser comparado com o cérebro humano ou com uma rede neural artificial? A resposta não é padrão - um enxame de abelhas. Separadamente, as abelhas não são tão interessantes para os cientistas quanto em um enxame. Todos sabemos como o enxame funciona de maneira suave e eficaz para o benefício da colméia. Cada abelha executa uma tarefa específica, não incomodando outras, mas complementando-se com o mecanismo geral da colméia, que funciona sem parar. Hoje vamos entender um estudo incomum, tentando explicar como um enxame de abelhas lida com os perigos do ambiente externo e como os indivíduos interagem nessas situações. Que perigo a abelha apresentava aos pobres, como eles lidavam com ela e o que isso significa para o homem e a ciência? Procuraremos respostas no relatório. Vamos lá

Base de estudo

À primeira vista, esse estudo parece um pouco estúpido, porque, em essência, é a resposta para a pergunta "o que acontecerá se você enfiar um pedaço de pau na colméia?". Bem, primeiro, isso não vale a pena, pois as abelhas são criaturas muito delicadas (e picantes). Em segundo lugar, qualquer criatura viva, como qualquer dispositivo, funciona de acordo com um determinado algoritmo. No caso das abelhas, esse algoritmo é comum a todo o enxame. Do ponto de vista da matemática, programação e até mecânica, as abelhas são muito interessantes. Portanto, não inflaremos nosso ceticismo e deixaremos a curiosidade prevalecer.


Abelha em movimento

Os personagens principais do estudo foram as abelhas Apis mellifera (ou simplesmente "abelhas européias"), que criam colméias penduradas em galhos de árvores e consistindo principalmente de abelhas. Francamente falando, a construção é duvidosa, dadas as mudanças climáticas, inimigos naturais, etc. No entanto, essas colmeias podem sobreviver com muito sucesso por um longo tempo. Surge a questão - como? A resposta está no coletivismo. Os pesquisadores citam como exemplo algumas espécies de formigas que se ligam entre si, criando jangadas para se mover ao longo da superfície da água. Espécies de organismos vivos, como abelhas, cupins ou formigas, são superorganismos, isto é, organismos constituídos por muitos organismos. Isso é comparável às partes de lego: uma parte não é nada, mas conecte-as a um cluster e você receberá uma estrela da morte por 3803 partes.

No entanto, nesses sistemas biológicos, o princípio “quanto mais melhor” não funciona, pois a superpopulação em condições adversas pode levar ao caos e, como resultado, à morte de toda a colônia. As abelhas expandem sua colônia colonizando literalmente galhos de árvores vizinhos. Um grupo de abelhas, liderado por uma rainha, passa da colmeia mãe para um novo local onde forma uma colméia satélite, cujo número pode chegar a 10.000 indivíduos. Na antiga colméia, uma nova rainha rainha aparece. Isso mais uma vez mostra como a colmeia é suave, como um sistema de muitas unidades de trabalho.

Vamos voltar às nossas abelhas transformadoras de mel. Os cientistas dizem que se sabe muito sobre como eles formam colmeias tão incomuns durante a realocação, mas pouco se sabe sobre a estabilidade de tais "edifícios" com relação aos efeitos dinâmicos.


Imagem Nº 1

As figuras 1a mostram variações na forma de um aglomerado de abelhas (colmeia de enxame) durante o enxame (criando uma nova colônia), que geralmente se parece com um cone invertido ( 1b ).

As mudanças de temperatura para essas abelhas não são um problema. Eles regulam a densidade do enxame e sua área, a fim de manter uma temperatura estável no centro, onde a rainha mora. Se a temperatura ambiente subir, por exemplo, no verão, o enxame se expande, formando algumas ranhuras que promovem a circulação de ar. Em caso de chuva, as abelhas do lado de fora do aglomerado formam um "escudo", devido ao qual a umidade simplesmente drena.

Essas habilidades das abelhas são conhecidas, mas não está completamente claro como elas mantêm a estabilidade do cluster em caso de exposição dinâmica. A destruição do aglomerado pode causar a morte de quase todo o enxame. É isso que os cientistas investigarão.

Preparando para o experimento

Para o experimento, uma sala foi preparada, no quadro sob o teto do qual uma rainha-rainha foi colocada. As abelhas foram liberadas na sala e começaram a formar um aglomerado, cujo processo é mostrado nas imagens 1c .

Um pequeno motor é conectado à placa, capaz de movê-la horizontal e verticalmente com diferentes frequências (de 0,5 a 5 Hz) e diferentes acelerações de gravidade (de 0 a 0,1 g).


A aparência da configuração do experimento: A - movimentos horizontais, B - vertical.


Impacto mecânico na colmeia: A - tremor contínuo do aglomerado quando a frequência é estável e a aceleração muda; B - tremor intermitente do cluster, quando a aceleração é estável e a frequência muda; C - uma única concussão.

Ativando o modo de agitação horizontal, o cluster começa a balançar como um pêndulo, com uma frequência de cerca de 1 Hz. Porém, após alguns minutos, as abelhas se adaptam ao modo dinâmico e alteram a forma do aglomerado para uma mais plana, enquanto o número de indivíduos permanece o mesmo de antes do teste.


Conjunto de agitação horizontal: Shape Shaping

Após a conclusão do teste, as abelhas restauram a forma inicial do aglomerado dentro de 30 a 120 minutos. Deve-se notar que o processo de recuperação leva muito mais tempo do que o processo de formação do formulário "emergência".

A análise dos dados de uma concussão constante e intermitente mostrou que a reação a uma constante ocorre muito mais cedo. Com as abelhas intermitentes, começam a reconstruir o aglomerado apenas após alguns choques.


Imagem No. 2

O gráfico 2a é um indicador da mudança na área do cluster com base em função do tempo (A (t) / A (0), onde A (t) é a área após o teste, A (0) é antes do teste). As cores das linhas correspondem a diferentes frequências de choques periódicos.

O gráfico adjacente ( 2b ) mostra as alterações mesmo com uma concussão constante do cluster. Aqui, podemos notar que, em uma aceleração extremamente baixa (da ordem de 0,01 g), o cluster não reage de maneira alguma, o que leva a pensamentos sobre a existência de um determinado limiar de atividade. Se a dinâmica não atingir esse limiar, as abelhas não o percebem como um perigo e não começam a reconstruir o cluster de uma forma mais estável. 2c é o sistema de coordenadas do cluster e de indivíduos individuais.

Os pesquisadores calcularam uma fórmula que ajudará a representar matematicamente o processo de movimento de cada abelha durante um impacto dinâmico na colméia. Isso é necessário para entender a diferença na resposta do cluster a choques constantes e descontínuos ( 2d ).

Após analisar as trajetórias das abelhas, os cientistas notaram que o deslocamento relativo entre as abelhas no topo do aglomerado e as abelhas na base é muito maior no caso de alongamento, ou seja, antes do teste. A pesquisa confirmou que a adaptação mecânica do enxame permite nivelar as deformações locais do cluster (deformação e deslocamento normais) após a transição para um estado plano, isto é, durante e após o teste.

No momento dos tremores, as abelhas começam a se mover para a base da colméia, que foi determinada pelo rastreamento de indivíduos ( 2e ).


O movimento de indivíduos para a base do cluster.

Essa observação confirma a razão desse comportamento - um sentimento de deformação. Mais precisamente, a abelha sente que apareceu um espaço entre ela e o indivíduo vizinho, o que não deveria existir. Isso a leva a se mudar para a base para fortalecer a colméia. Por que para a base? O aglomerado de abelhas pode ser representado na forma de um esquema (2f), no qual as áreas vermelhas claras são as zonas com maior carga e as escuras com as menores. As abelhas sabem em qual seção da colméia a carga em sua estrutura é a maior, então você precisa se mudar para lá para fortalecer essa área.

Tendo entendido o princípio acima descrito de comportamento das abelhas, os cientistas estão fazendo uma nova pergunta - qual deve ser o deslocamento relativo para a abelha responder?



Antes de tudo, os pesquisadores lembram que as principais características dinâmicas de um cone flexível suspenso são semelhantes a um pêndulo ao se mover de um lado para o outro e ao se mover para baixo e para cima com uma mola.

A imagem acima mostra um modelo de aglomerado no qual cada abelha é representada como um corpo esférico, que é influenciado por três forças: a força da gravidade, a força da atração entre os corpos adjacentes e a força para impedir a penetração de um corpo no outro.

O modelo matemático revelou um fato interessante - a amplitude máxima de cargas locais aumenta quando o cluster se alonga. Assim, são essas cargas que servem como sinal para as abelhas.


Demonstração de deslocamento de cluster durante simulação em computador .


Imagem nº 3: modelo de computador.

Como pode ser visto na simulação 3a , a deformação normal (deve ser igual a 0) durante as oscilações horizontais aumenta precisamente na base. 3b mostra mudanças de cisalhamento durante a oscilação horizontal. Aqui vemos que esse tipo de deformação não é tão significativo. O gráfico 3c mostra mudanças na deformação e cisalhamento normais no contexto do deslocamento da colméia de sua posição original.

Cada esfera em um modelo matemático de computador é uma abelha separada, como mencionado anteriormente. Ele implementou uma regra comportamental - para mudar para áreas onde a carga começa a aumentar acima de um nível crítico. Como resultado, o modelo mostrou o que pode ser observado ao vivo com as abelhas ( 3d ). Os gráficos em 3e mostram como a área da colméia na base e a proporção de abelhas que se deslocaram em direção a ela mudaram (corresponde ao gráfico 2e).


Imagem No. 4: vibrações verticais.

Durante o experimento com oscilação vertical da colméia, a aceleração não foi superior a 0,05 g. Como resultado, os vieses observados foram muito insignificantes. Isso pode ser visto nas figuras 4a, onde por 30 minutos o formato da colméia não mudou.

No entanto, com um aumento na aceleração gravitacional para 0,1 g, o cluster entrou em colapso. O ponto principal é que, durante essas flutuações, a carga na base da colméia não muda o suficiente para provocar o movimento das abelhas. O vídeo abaixo mostra que a forma do cluster permanece praticamente inalterada durante a agitação. E quando o nível crítico de aceleração é alcançado, a colméia simplesmente entra em colapso. Um dos fatores que afetam as abelhas é o tempo que elas não tiveram o suficiente para reagir a um nível já crítico de carga na colméia.


A destruição do cluster durante o teste com vibrações verticais.

Resultados dos Pesquisadores

Independentemente da frequência ou aceleração, as abelhas mudam a forma do aglomerado, tornando-o mais estável. Parece um trabalho muito coordenado, mas as equipes não recebem abelhas de uma única fonte, mas agem de forma totalmente independente, embora de uma maneira única. O principal mecanismo de suas ações é a capacidade de detectar deformações locais da estrutura da colméia. Quando essas deformações atingem um nível crítico, as abelhas fortalecem o aglomerado. Isso é confirmado por um teste com choques constantes e intermitentes. E o fato de as abelhas não reagirem de forma alguma às flutuações com uma aceleração inferior a 0,01 g.

Se o cluster for agitado verticalmente, surge uma situação diferente. As abelhas não respondem a deformações, uma vez que a carga na base não excederá a norma permitida.

Os pesquisadores, apesar disso, ficaram satisfeitos com os resultados de seu trabalho. O trabalho deles ajudou a entender o princípio da adaptação mecânica. Segundo eles, os dispositivos criados pelo homem são inferiores às abelhas nesta questão. Primeiro, a abelha, como parte separada do mecanismo (colméia), responde à ameaça por conta própria, sem exigir comandos do "centro". Como resultado, todas as abelhas simultaneamente começam a reconstruir a colméia para que ela possa suportar a influência destrutiva de fatores externos. A implementação de um comportamento como um algoritmo em sistemas criados pelo homem simplificaria bastante a luta com a natureza, que muitas vezes mostra seu caráter, destruindo edifícios e equipamentos.

Detalhes do estudo estão disponíveis no relatório dos cientistas e em materiais adicionais .

Epílogo

Não há nada surpreendente em encontrar inspiração ou idéias para a tecnologia moderna na natureza. Muitas invenções, de um jeito ou de outro, começaram com a pergunta "como repetir o que a natureza tem de insetos, peixes, pássaros etc.". Esse caminho é complexo e longo. Certa vez, olhando o céu, um homem quis voar como um pássaro e criou asas. É verdade que as primeiras tentativas terminaram tristemente para esses entusiastas. Mas veja o que temos agora: aviões enormes transportando centenas de pessoas de cada vez através dos oceanos. Mas o primeiro sonhador de voar também foi informado de que suas idéias eram absurdas. Portanto, mesmo estudando a adaptação das abelhas a efeitos dinâmicos, por mais estranho que pareça, mais cedo ou mais tarde encontrará sua aplicação prática nas tecnologias do futuro. Talvez este estudo, em conjunto com a nanotecnologia, crie um material que possa se recombinar durante os terremotos. Quem sabe De qualquer forma, é uma curiosidade saudável e um desejo de entender como funciona o mundo ao seu redor.

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