Voor mieren en robots die werken in kleine ruimtes zoals tunnels, meer werknemers hebben, betekent niet noodzakelijkerwijs meer werk gedaan krijgen. Net zoals te veel koks in een keuken elkaar in de weg zitten, te veel robots in tunnels zorgt voor verstoppingen die het werk tot stilstand kunnen brengen.

Een studie gepubliceerd op 17 augustus in het tijdschrift Wetenschap laat zien dat in kolonies van vuurmieren, een klein aantal arbeiders doet het meeste graafwerk, waardoor de andere mieren er iets minder dan ijverig uitzien. Voor het graven van nesttunnels, deze minder drukke aanpak zorgt ervoor dat de klus wordt geklaard zonder mierenopstoppingen en zorgt voor een soepele graafstroom. Onderzoekers ontdekten dat het toepassen van de mierenoptimalisatiestrategie op autonome robots gemechaniseerde klompen vermijdt en het werk gedaan krijgt met de minste hoeveelheid energie.

Het optimaliseren van de activiteit van autonome ondergrondse robots kan nuttig zijn voor taken zoals noodherstel, mijnbouw of zelfs het graven van ondergrondse schuilplaatsen voor toekomstige planetaire ontdekkingsreizigers. Het onderzoek werd ondersteund door het Physics of Living Systems-programma van de National Science Foundation, het Army Research Office en het Dunn Family Professorship.

"We hebben gemerkt dat als je 150 mieren in een container hebt, slechts 10 of 15 van hen zullen op een gegeven moment daadwerkelijk in de tunnels graven, " zei Daniël Goldman, een professor aan de School of Physics van het Georgia Institute of Technology. "We wilden weten waarom, en om te begrijpen hoe basiswetten van de fysica aan het werk kunnen zijn. We vonden een functionele, gemeenschapsvoordeel bij deze schijnbare ongelijkheid in de werkomgeving. Zonder het, graven is gewoon niet gedaan."

Door de activiteiten te volgen van 30 mieren die waren geschilderd om elk individu te identificeren, Goudman en collega's, waaronder voormalig postdoctoraal fellow Daria Monaenkova en Ph.D. student Bahnisikha Dutta, ontdekte dat slechts 30 procent van de mieren 70 procent van het werk deden - een ongelijkheid die het werk zo lijkt te houden. Echter, dat is blijkbaar niet omdat de drukste mieren het meest gekwalificeerd zijn. Toen de onderzoekers de vijf hardst werkende mieren uit de nestcontainer haalden, ze zagen geen productiviteitsdaling terwijl de overige 25 bleven graven.

Het hebben van een nest is essentieel om mieren te vuren, en als een kolonie wordt verdreven - door een overstroming, bijvoorbeeld - het eerste wat de mieren zullen doen wanneer ze het droge land bereiken, is beginnen met graven. Hun tunnels zijn smal, nauwelijks breed genoeg voor twee mieren om te passeren, een ontwerpkenmerk waarvan wordt verondersteld dat het voortbewegingsvoordelen biedt in de zich ontwikkelende verticale tunnels. Nog altijd, de mieren weten hoe ze klompen kunnen vermijden door zich terug te trekken uit tunnels die al bezet zijn door andere arbeiders - en soms door helemaal niets te doen.

Om verstoppingen te voorkomen en het graven te maximaliseren in afwezigheid van een leider, robots gebouwd door Goldman's masterstudent Vadim Linevich werden geprogrammeerd om aspecten van de treuzelende en terugtrekkende mieren vast te leggen. De onderzoekers ontdekten dat maar liefst drie robots effectief konden werken in een smalle horizontale tunnel die 3D-geprinte magnetische plastic ballen graaft die kleverige grond nabootsen. Als een vierde robot de tunnel binnenging, echter, die een klomp veroorzaakte die het werk volledig stopte.

"Toen we vier robots in een afgesloten omgeving plaatsten en probeerden ze te laten graven, ze liepen meteen vast, " zei Goudman, wie is de Dunn Family Professor in de School of Physics. "Tijdens het observeren van de mieren, we waren verrast om te zien dat individuen soms naar de tunnel gingen en als ze zelfs maar een kleine hoeveelheid verstopping tegenkwamen, ze zouden zich gewoon omdraaien en zich terugtrekken. Als we die regels combineren met de robots, dat zorgde voor een goede strategie om snel te graven met een laag energieverbruik per robot."

Experimenteel, het onderzoeksteam testte drie mogelijke gedragingen voor de robots, die ze "gretig, "omkering" of "lui." Met behulp van de gretige strategie, alle vier de robots stortten zich in het werk - en liepen snel vast. In het omkeergedrag, robots gaven het op en keerden om toen ze vertragingen ondervonden bij het bereiken van de werkplek. In de luie strategie, treuzelen werd aangemoedigd.

"Eager is de beste strategie als je maar drie robots hebt, maar als je een vierde toevoegt, dat gedrag tankt omdat ze elkaar in de weg zitten, " zei Goldman. "Omkering produceert relatief gezond en verstandig graven. Het is niet de snelste strategie, maar er zijn geen files. Als je kijkt naar het energieverbruik, lui is de beste cursus." Analysetechnieken op basis van glazige en onderkoelde vloeistoffen, onder leiding van voormalig Ph.D. leerling Jeffrey Aguilar, gaf inzicht in hoe de verschillende strategieën verstoppingsvormende clusters mitigeerden en voorkwamen.

Om te begrijpen wat er aan de hand was en te experimenteren met de parameters, Goldman en collega's, waaronder Will Savoie, een Georgia Tech Ph.D. student, Onderzoeksassistent Hui-Shun Kuan en professor Meredith Betterton van de School of Physics aan de Universiteit van Colorado in Boulder, gebruikten computermodellering die bekend staat als cellulaire automaten die overeenkomsten vertonen met de manier waarop verkeersingenieurs de beweging van auto's en vrachtwagens op een snelweg modelleren.

"Op snelwegen, te weinig auto's zorgen niet voor veel doorstroming, terwijl te veel auto's een opstopping veroorzaken, " Goldman zei. "Er is een tussenniveau waar dingen het beste zijn, en dat heet het fundamentele diagram. Van onze modellering, we hebben geleerd dat de mieren precies op het hoogtepunt van het diagram werken. De juiste mix van ongelijke werkverdelingen en omkeringsgedrag heeft het voordeel dat ze met maximale efficiëntie in beweging blijven zonder vast te lopen."

De onderzoekers gebruikten robots die zijn ontworpen en gebouwd voor het onderzoek, maar ze waren geen partij voor de capaciteiten van de mieren. De mieren zijn flexibel en robuust, in staat langs elkaar heen te knijpen in grenzen die ervoor zouden zorgen dat de inflexibele robots vastlopen. In sommige gevallen, de robots in het lab van Goldman beschadigden elkaar zelfs terwijl ze zich in positie drongen om te graven.

De onderzoeksresultaten kunnen nuttig zijn voor ruimteverkenning waar tunnels nodig kunnen zijn om mensen snel te beschermen tegen naderende stofstormen of andere bedreigingen. "Als je een robotzwerm op Mars was en snel diep moest graven om weg te komen van stofstormen, deze strategie zou kunnen helpen om onderdak te bieden zonder perfecte informatie over wat iedereen aan het doen was, ’ legde Goudman uit.

Naast de mogelijke robotica-toepassingen, het werk geeft inzicht in de complexe sociale vaardigheden van mieren en draagt ​​bij aan het begrip van actieve materie.

"Mieren die in complexe ondergrondse omgevingen leven, moeten geavanceerde sociale regels ontwikkelen om de slechte dingen te vermijden die kunnen gebeuren als je veel individuen in een drukke omgeving hebt, Goldman zei. "We dragen ook bij aan het begrijpen van de fysica van taakgerichte actieve materie, het zetten van meer experimentele kennis in fenomeen zoals zwermen."