Verzameld in een kleine schuur in het midden van een vredige weide, mijn collega's en ik staan ​​op het punt de schakelaar om te zetten om een ​​schijnbaar alledaagse procedure te starten:een motor gebruiken om een ​​houten plank te schudden. Maar onder dit bord, we hebben een zwerm van ongeveer 10, 000 honingbijen, aan elkaar vastklampend in een enkele prachtige pulserende kegel.

Terwijl we een laatste blik van opgewonden bezorgdheid delen, de zwerm, letterlijk een brok levend materiaal, begint naar rechts en links te bewegen, wiebelen als gelei.

Wie zou bij zijn volle verstand een zwerm honingbijen schudden? Mijn collega's en ik bestuderen zwermen om ons begrip van deze essentiële bestuivers te verdiepen, en ook om te zien hoe we dat begrip kunnen benutten in de wereld van roboticamaterialen.

Veel bijen creëren één zwerm

De zwermen in onze studie komen voor als onderdeel van de voortplantingscyclus van Europese honingbijkolonies. Wanneer het aantal bijen de beschikbare middelen overschrijdt, meestal in de lente of zomer, een kolonie verdeelt zich in twee groepen. Een groep, en een koningin, wegvliegen op zoek naar een nieuwe vaste plek terwijl de rest van de bijen achterblijven.

Tijdens die inspanning, de verhuizende bijen vormen tijdelijk een zeer flexibele zwerm die aan boomtakken kan hangen, daken, hekken of auto's. terwijl geschorst, ze hebben geen nest om hen te beschermen tegen de elementen. Door samen te kruipen, kunnen ze warmteverlies naar de koudere buitenomgeving minimaliseren. Ze moeten zich ook in realtime aanpassen aan temperatuurschommelingen, regen en wind - die allemaal de kwetsbare bescherming die ze als één eenheid delen, zouden kunnen vernietigen.

De zwerm is orden van grootte groter dan de grootte van een individuele bij. Een bij kan zijn activiteit mogelijk coördineren met naburige bijen ernaast, maar het kon zeker niet rechtstreeks coördineren met bijen aan de verre rand van de zwerm.

Dus hoe slagen ze erin om mechanische stabiliteit te behouden in het licht van zoiets als sterke wind - een test die bijna gelijktijdige coördinatie vereist door de hele zwerm?

Mijn collega's Jacob Peters, Maria Salcedo, L. Mahadevan en ik bedachten een reeks experimenten om die vraag te beantwoorden - wat ons terugbrengt naar het opzettelijk schudden van de zwerm.

Individuele acties, hele zwerm reactie

Toen we de zwerm langs zijn horizontale as schudden, de bijen pasten de vorm van hun zwerm aan en werden binnen enkele minuten breder, stabielere kegel. Echter, toen de beweging verticaal was, de vorm bleef constant totdat een kritische kracht werd bereikt die ervoor zorgde dat de zwerm uit elkaar viel.

Waarom reageerden de bijen op horizontaal schudden, maar niet om verticaal te schudden? Het draait allemaal om hoe de banden die bijen creëren door "hand in hand" te worden uitgerekt.

Het blijkt dat verticaal schudden deze paarbindingen niet zo veel verstoort als horizontaal schudden. Met behulp van een rekenmodel, we hebben aangetoond dat bindingen tussen bijen die zich dichter bij de plek bevinden waar de zwerm zich aan het bord hecht, meer uitrekken dan bindingen tussen bijen aan het uiteinde van de zwerm. Bijen konden deze verschillende hoeveelheden rekken voelen, en gebruik ze als een richtingsignaal om naar boven te gaan en de zwerm te verspreiden.

Met andere woorden, bijen verplaatsen zich van locaties waar bindingen minder rekken, naar locaties waar ze zich meer uitstrekken. Deze gedragsreactie verbetert de collectieve stabiliteit van de zwerm als geheel ten koste van de gemiddelde last die de individuele bij ervaart. Het resultaat is een soort "mechanisch altruïsme", zoals de ene bij spanning verdraagt ​​ten behoeve van het grotere goed van de zwerm.

Techniek lessen, onderwezen door bijen

Als breed opgeleide natuurkundige die diergedrag bestudeert, Ik ben gefascineerd door dit soort geëvolueerde oplossingen in de natuur. Het is verbazingwekkend dat honingbijen multifunctionele materialen kunnen maken - gemaakt van hun vele individuele lichamen - die van vorm kunnen veranderen zonder dat een wereldwijde dirigent hen allemaal vertelt wat ze moeten doen. Niemand heeft de leiding, maar samen houden ze de zwerm intact.

Wat als ingenieurs die oplossingen en lessen uit de natuur zouden kunnen nemen en toepassen op gebouwen? In plaats van een bundel zoemende bijen, kun je je een bundel zoemende robots voorstellen die zich aan elkaar vastklampen om in realtime adaptieve structuren te creëren? Ik kan me schuilplaatsen voorstellen die snel worden ingezet bij natuurrampen zoals orkanen, of bouwmaterialen die de trillingen van een aardbeving kunnen voelen en op dezelfde manier reageren als deze zwermen reageren op een tak in de wind.

Eigenlijk, deze bijen creëren een autonoom materiaal dat - ingebed in zichzelf - meerdere mogelijkheden heeft. De zwerm kan informatie uit de nabije omgeving waarnemen, gebaseerd op hoeveel de paarbindingen uitrekken. Het kan rekenen, in die zin dat het uitzoekt welke regio's meer bindingsrek hebben. En het kan activeren, wat betekent dat je in de richting van meer rekken gaat.

Deze eigenschappen zijn enkele van de al lang bestaande ambities op het gebied van multifunctionele materialen en robotmaterialen. Het idee is om betaalbare robots te combineren die elk een minimale hoeveelheid mechanische componenten en sensoren hebben, zoals de M-blokken. Samen voelen ze hun lokale omgeving, interactie met naburige robots en hun eigen beslissingen nemen over waar ze heen gaan. als Hiro, de jonge roboticus in de Disney-film "Big Hero 6" zegt:"De toepassingen voor deze technologie zijn eindeloos."

Op dit moment, dit is nog steeds sciencefiction. Maar hoe meer onderzoekers weten over de natuurlijke oplossingen van honingbijen, hoe dichter we bij het waarmaken van die droom komen.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.