Als het een slecht idee is om een ​​wespennest te schoppen, het is zeker een slecht idee om een ​​bijenzwerm te schudden. Behalve, natuurlijk, het is voor de wetenschap.

Een team van onderzoekers van de universiteit van Harvard bracht maanden door met het schudden en rammelen van zwermen van duizenden honingbijen om beter te begrijpen hoe bijen samenwerken om structuren te stabiliseren in de aanwezigheid van externe belastingen.

Het onderzoek is gepubliceerd in Natuurfysica .

"Onze studie laat zien hoe levende systemen fysica gebruiken om complexe problemen op te lossen op schalen die veel groter zijn dan het individu, " zei L. Mahadevan, de Lola England de Valpine hoogleraar Toegepaste Wiskunde aan de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), Hoogleraar Organismische en Evolutionaire Biologie (OEB), en hoogleraar natuurkunde en senior auteur van de studie. "We hebben aangetoond dat bijen de lichamelijkheid van de omgeving kunnen benutten om een ​​wereldwijd mechanisch stabiliteitsprobleem op te lossen door gebruik te maken van lokale waarneming en actie"

Dit onderzoek volgt op eerder werk van de groep die aantoonde hoe bijen ook collectief de temperatuur van een cluster kunnen handhaven met behulp van lokale detectie en activering om oververhitting of overkoeling te voorkomen.

Bijenzwermen vormen zich wanneer een bijenkoningin samen met een grote groep werkbijen een nieuwe kolonie vormt. Terwijl verkenners een nieuwe nestplaats zoeken, de kolonie vormt een levende, ademhalingsstructuur, gemaakt van hun eigen lichaam, op een nabijgelegen boomtak. Deze clusters behouden hun structuur en stabiliteit dagenlang in aanwezigheid van wind, regen en andere externe belastingen.

"De belangrijkste vraag van ons onderzoek was:aangezien individuele bijen waarschijnlijk alleen hun interacties met hun buren kunnen voelen, hoe brengen ze wijzigingen aan om de algehele structuur van het cluster te behouden?", zegt Orit Peleg, een voormalig postdoctoraal fellow bij SEAS en co-eerste auteur van het papier.

Peleg is nu een assistent-professor computerwetenschappen aan de Universiteit van Colorado-Boulder.

De onderzoekers bouwden een bijenzwerm door een gekooide bijenkoningin aan een beweegbaar bord te bevestigen en te wachten tot werkbijen zich om haar heen verzamelden. Toen de cluster gevormd was, de onderzoekers simuleerden wind door het bord horizontaal en verticaal te schudden.

Ze merkten op dat de zwerm begint met een kegelachtige structuur, met een bepaalde hoogte en basisoppervlak. Wanneer horizontaal geschud, de bijen creëren een plattere kegel door de hoogte te verkleinen en het basisoppervlak te vergroten. Wanneer het schudden stopt, ze gaan terug naar hun oorspronkelijke vorm.

De bijen weten welke kant ze op moeten, omdat ze reageren op de lokale veranderingen van hun buren.

"Individuele bijen kunnen de richting van de soort bepalen op basis van hun verbinding met hun buren, " zei Jacob Peters, die onlangs zijn Ph.D. in OEB, en co-eerste auteur van het papier. "Omdat de spanningen op de zwerm het hoogst zijn aan de top van de zwerm, waar het is verbonden met de tak - of in dit geval, het bord - ze weten dat ze omhoog moeten. Alle bijen gaan samen omhoog omdat ze worden beïnvloed door deze gradiënt, dus het leidt tot een gecoördineerde beweging."

Stel je voor dat je Ring-a-Round-the-Rosy geblinddoekt speelt. Je weet niet in welke richting iedereen in de cirkel beweegt, maar je weet wel in welke richting je buurman beweegt, omdat je hun hand vasthoudt. Je weet niet wanneer iedereen valt, maar je weet wanneer je moet vallen omdat je buurman valt. Als bijen in een zwerm, je volgt de aanwijzingen van je buurman op die horen bij de lokale stam.

Wanneer het cluster afvlakt tijdens horizontaal schudden, het delen van de belasting door individuele bijen neemt toe, maar de kolonie is over het algemeen stabieler - vergelijkbaar met hurken wanneer de grond schudt. De onderzoekers konden dit gedrag nabootsen in een computersimulatie door op lokaal niveau regels op te leggen.

De onderzoekers ontdekten ook dat wanneer de bijen verticaal werden geschud, het cluster paste zijn vorm niet aan omdat de lokale variaties in vervormingen kleiner waren.

Dit onderzoek kan bredere implicaties hebben voor hoe we denken over besturingsalgoritmen en collaboratieve machines.

"Als we machines of materialen bouwen, we gebruiken eenvoudige besturingsalgoritmen die top-down zijn, waar u een gecentraliseerd commando hebt dat alle bewegende delen in de machine bestuurt, " zei Peters. "Maar in dit systeem, de bijen bereiken deze gecoördineerde vormverandering zonder een centrale controller. In plaats daarvan, ze zijn als een set gedistribueerde agenten met hun eigen controllers en ze moeten een manier vinden om te coördineren zonder expliciete langeafstandscommunicatie. Door dit soort systemen te bestuderen, het zou nieuwe manieren van denken kunnen inspireren over gedistribueerde controle van systemen in tegenstelling tot traditionele gecentraliseerde controle."