Algumas regras simples determinam como as jangadas de formigas-de-fogo flutuantes mudam de forma ao longo do tempo

As formigas-de-fogo são um exemplo bíblico de comportamento de grupo, são capazes de agir como indivíduos e também se combinam para formar jangadas flutuantes em resposta a inundações. Agora, dois engenheiros mecânicos da Universidade do Colorado, em Boulder, identificaram algumas regras simples que parecem governar como as jangadas de formigas-de-fogo flutuantes se contraem e expandem sua forma ao longo do tempo, de acordo com novo papel Publicado na revista PLOS Computational Biology. A esperança é que, ao obter uma melhor compreensão das regras simples por trás do comportamento das formigas de fogo, eles possam desenvolver algoritmos melhores que controlam como os enxames de robôs interagem.

Não é uma questão de força mental ou planejamento cuidadoso. “Esse comportamento pode ocorrer, essencialmente, espontaneamente”, disse o co-autor Robert Wagner. “Não há necessidade de qualquer tomada de decisão central pelas formigas necessariamente.” De fato, “formigas solteiras não são tão inteligentes quanto se poderia pensar, mas coletivamente, elas se tornam comunidades muito inteligentes e resilientes”. O co-autor Frank Fernery disse:.

como nós somos mencionei anteriormente, algumas formigas bem espaçadas se comportam como formigas individuais. Mas embale o suficiente deles juntos e eles se comportarão como uma única unidade, exibindo propriedades sólidas e líquidas. Pode formar jangadas ou torres, e você pode até despejá-lo do bule como um líquido. As formigas-de-fogo também se destacam em organizar suas formigas Fluxo de tráfego.

Qualquer formiga sozinha tem uma certa quantidade de hidrofobia – a capacidade de repelir a água – e isso A propriedade foi condensada Quando unidos, eles tecem seus corpos como um tecido impermeável. Eles coletam todos os ovos, chegam à superfície através dos túneis de seus ninhos e, à medida que as águas da enchente sobem, eles mordiscam os corpos uns dos outros com suas mandíbulas e garras, até que uma estrutura plana semelhante a uma jangada se forme, com cada formiga agindo como uma molécula individual em uma substância – digamos, grãos de areia em um monte de areia.

As formigas podem conseguir isso em menos de 100 segundos. Além disso, a jangada de formigas é “auto-curativa”: é forte o suficiente para que, se uma formiga se perder aqui e ali, a estrutura geral possa permanecer estável e intacta, mesmo por meses a fio. Em suma, a jangada de formigas é um superorganismo.

Em 2019, pesquisadores da Georgia Tech Prove que As formigas-de-fogo podem detectar ativamente mudanças nas forças que atuam na balsa sob diferentes condições de fluido e adaptar seu comportamento de acordo para manter a balsa estável. Por exemplo, com a força de cisalhamento, a área da balsa era muito menor do que quando as formigas encontravam apenas a força centrífuga. As últimas formigas experimentam não importa onde estejam colocadas na balsa de formigas, enquanto apenas as formigas no limite experimentam a força de cisalhamento mais forte. Os cientistas levantaram a hipótese de que as pequenas jangadas são o resultado de formigas tentando evitar estar no limite, reduzindo a área de superfície no processo.

A equipe da Georgia Tech também notou que as formigas de fogo em uma jangada estão explorando ainda mais se a jangada está ou não estacionária, geralmente se espalhando horizontalmente, mas também verticalmente, para construir estruturas temporárias semelhantes a torres na esperança de encontrar um galho pendurado para secar . Terra. Haveria muito menos comportamento exploratório se a balsa da formiga girasse em resposta a forças centrífugas ou de cisalhamento.

A nova pesquisa de Vernerey e Wagner é baseada em estude Eles publicaram no ano passado. Eles conduziram experimentos jogando hordas de formigas de fogo em um balde de água com uma haste plástica vertical no meio e, em seguida, observando o comportamento de construção de jangadas das formigas nas próximas oito horas. A ideia era observar como as jangadas evoluíram ao longo do tempo. Observe que os pontões não mantiveram sua forma. Às vezes, as estruturas são comprimidas em círculos densos de formigas. Outras vezes, as formigas começam a se espalhar para formar extensões semelhantes a pontes, às vezes usando-as para escapar de recintos, sugerindo que o comportamento pode servir a uma vantagem evolutiva.

A dupla ficou fascinada com a forma como as formigas conseguem essas mudanças de forma através de um processo que apelidaram de “moinho”. Os flutuadores consistem principalmente em duas camadas distintas. As formigas na camada inferior servem a um propósito estrutural, pois formam a base estável da balsa. Mas as formigas da camada superior movem-se livremente sobre os corpos presos aos seus irmãos na camada inferior. As formigas às vezes se movem da camada inferior para a camada superior, ou da camada superior para a camada inferior em um ciclo que Wagner chama de “círculo vicioso em forma de torta”.

Vernerey e Wagner queriam determinar se esse comportamento de esteira era uma decisão deliberada das formigas ou se aparecia espontaneamente. Assim, eles criaram uma série de modelos baseados em fatores compostos de 2.000 partículas (“fatores) representando cada formiga individual, confinada a uma rede de nós de água. Um grupo de formigas operárias (mostrado em ciano) compunha a rede principal estrutural; o outro formigas operárias foram (mostradas em vermelho) estão livres para se mover sobre elas.

As formigas são programadas para seguir um conjunto simples de regras, como evitar colisões com outras formigas e não cair na água (“regra de deposição de borda”). Então eles deixaram a simulação jogar. E as formigas simuladas se comportaram muito como suas contrapartes do mundo real.

Por exemplo, quando formigas operárias ativas atingem a borda da balsa e entram em contato com a água, elas evitam se mover na água, a menos que sejam forçadas a fazê-lo por formigas operárias ativas próximas – e somente se houver formigas suficientes apoiando a estrutura. para agarrá-lo. As simulações também mostraram saliências semelhantes a pontes se formando espontaneamente, e os pesquisadores conseguiram correlacionar essas formações com a atividade relativa das formigas. Quanto mais ativas as formigas forem, maior a probabilidade de os inchaços começarem a se formar.

“As formigas nas pontas dessas esporas são quase empurradas da borda para a água, criando um efeito de fuga”, disse Wagner. É possível que esses afloramentos sejam um meio usado pelas formigas-de-fogo em uma jangada para explorar seu ambiente, talvez procurando troncos de árvores ou terra seca.

Os autores concluíram: “Embora os fatores de sinalização, como feromônios, não sejam excluídos e devam ser testados em futuros estudos experimentais, este modelo geralmente apresenta mecanismos locais pelos quais as formigas-de-fogo podem alcançar o crescimento da marcha e do galo sem controle central ou intenção intencional”. No entanto, eles reconhecem que este é um modelo homogêneo, e que é provável que haja mais de um conjunto de regras que regem o comportamento das esteiras e o aparecimento de esporas – outro foco futuro de suas pesquisas.

DOI: PLOS Biologia Computacional, 2022. 10.1371 / journal.pcbi.1009869 (Sobre DOIs).