individueel, Californische zwarte wormen leven een onopvallend leven door micro-organismen te eten in vijvers en te dienen als voedsel voor tropische vissen voor aquariumliefhebbers. Maar samen, tientallen, honderden, of duizenden van de centimeter-lange wezens kunnen samenwerken om een ​​"wormklodder, " een van vorm veranderende levende vloeistof die zijn leden collectief beschermt tegen uitdroging en hen helpt te ontsnappen aan bedreigingen zoals overmatige hitte.

Terwijl andere organismen collectieve zwermen vormen, scholen, of zwermen voor doeleinden zoals paren, predatie, en bescherming, de Lumbriculus variegatus-wormen zijn ongebruikelijk in hun vermogen om zichzelf in elkaar te vlechten om taken uit te voeren die niet-verbonden individuen niet kunnen. Een nieuwe studie gerapporteerd door onderzoekers van het Georgia Institute of Technology beschrijft hoe de wormen zichzelf organiseren om op te treden als verstrengelde "actieve materie, " het creëren van verrassend collectief gedrag waarvan de principes zijn toegepast om klodders eenvoudige robots te helpen hun eigen voortbeweging te ontwikkelen.

Het onderzoek, ondersteund door de National Science Foundation en het Army Research Office, werd op 5 februari in het tijdschrift gemeld Proceedings van de National Academy of Sciences . Bevindingen uit het werk kunnen ontwikkelaars van zwermrobots helpen begrijpen hoe opkomend gedrag van verstrengelde actieve materie onverwachte, complex, en potentieel nuttig mechanisch aangedreven gedrag.

Collectief gedrag bij wormen

De vonk voor het onderzoek kwam enkele jaren geleden in Californië, waar Saad Bhamla geïntrigeerd was door klodders wormen die hij in een vijver in de achtertuin zag.

"We waren benieuwd waarom deze wormen deze levende klodders zouden vormen, " zei Bhamla, een assistent-professor aan de Georgia Tech's School of Chemical and Biomolecular Engineering. "We hebben nu met wiskundige modellen en biologische experimenten aangetoond dat het vormen van de klodders een soort collectieve besluitvorming geeft waardoor wormen in een grotere klodder langer kunnen overleven tegen uitdroging. We hebben ook aangetoond dat ze samen kunnen bewegen, een collectief gedrag dat niet wordt gedaan door andere organismen die we kennen op macroschaal."

Dergelijk collectief gedrag in levende systemen is van belang voor onderzoekers die manieren onderzoeken om de principes van levende systemen toe te passen op door mensen ontworpen systemen zoals zwermrobots, waarin individuen ook moeten samenwerken om complex gedrag te creëren.

"Het wormenblob-collectief blijkt capaciteiten te hebben die meer zijn dan wat de individuen hebben, een prachtig voorbeeld van biologische opkomst, " zei Daniël Goldman, een Dunn Family Professor in Georgia Tech's School of Physics, die de fysica van levende systemen bestudeert.

Waarom de wormen klodders vormen?

Het wormenblob-systeem is uitgebreid bestudeerd door Yasemin Ozkan-Aydin, een onderzoeksmedewerker in het laboratorium van Goldman. Met behulp van bundels wormen die ze oorspronkelijk bestelde bij een Californisch aquariumleveringsbedrijf - en nu grootbrengt in Georgia Tech-labs - heeft Ozkan-Aydin de wormen aan verschillende experimenten onderworpen. Die omvatten de ontwikkeling van een "wormgymnasium" waarmee ze de kracht van individuele wormen kon meten, kennis die belangrijk is om te begrijpen hoe kleine aantallen wezens een hele klodder kunnen verplaatsen.

Ze begon door de waterwormen uit het water te halen en hun gedrag te observeren. Eerst, ze individueel begonnen te zoeken naar water. Toen die zoektocht mislukte, ze vormden een bolvormige klodder waarin individuen om de beurt op het buitenoppervlak waren blootgesteld aan de lucht waar verdamping plaatsvond - gedrag waarvan ze dacht dat het het effect van verdamping op het collectief zou verminderen. Door de blobs te bestuderen, ze leerde dat wormen in een klodder 10 keer langer buiten het water kunnen overleven dan individuele wormen.

"Ze zouden zeker de uitdroging willen verminderen, maar de manier waarop ze dit zouden doen ligt niet voor de hand en wijst op een soort collectieve intelligentie in het systeem, "zei Goldman. "Het zijn niet alleen machines die het oppervlak verkleinen. Ze zijn op zoek naar goede omstandigheden en hulpbronnen."

Blobs gebruiken om aan bedreigingen te ontsnappen

Ozkan-Aydin onderzocht ook hoe wormklodders reageerden op zowel temperatuurgradiënten als intens licht. De wormen hebben een specifiek temperatuurbereik nodig om te overleven en houden niet van intens licht. Toen een klodder op een verwarmde plaat werd geplaatst, het bewoog langzaam weg van het warmere deel van de plaat naar het koelere deel en vormde onder intens licht strak verstrengelde klodders. De wormen leken de verantwoordelijkheden voor de beweging te verdelen, waarbij sommige individuen aan de klodder trokken, terwijl anderen hielpen de aggregatie op te tillen om wrijving te verminderen.

Net als bij verdamping, de collectieve activiteit verbetert de overlevingskansen van de hele groep, die kan variëren van 10 wormen tot wel 50, 000.

"Voor een individuele worm die van heet naar koud gaat, overleven hangt af van toeval, "zei Bhamla. "Als ze bewegen als een klodder, ze bewegen langzamer omdat ze de mechanica moeten coördineren. Maar als ze bewegen als een klodder, 95% van hen komt aan de koude kant, dus deel uitmaken van de blob biedt veel overlevingsvoordelen."

Een worm gymnasium

De onderzoekers merkten op dat er slechts twee of drie "trekkers" nodig waren om een ​​klodder van 15 wormen te slepen. Dat bracht hen ertoe zich af te vragen hoe sterk de wezens waren, dus Ozkan-Aydin creëerde een reeks palen en uitkragingen waarin ze de krachten kon meten die door individuele wormen werden uitgeoefend. Door deze "wormgymnasium" kon ze waarderen hoe de trekkers hun werk wisten te doen.

"Als de wormen blij en koel zijn, ze strekken zich uit en grijpen met hun hoofd aan een van de palen en trekken eraan, ' zei Bhamla. 'Als ze trekken, je kunt de doorbuiging zien van de cantilever waaraan hun staarten waren bevestigd. Yasemin was in staat bekende gewichten te gebruiken om de krachten die de wormen creëren te kalibreren. De krachtmeting laat zien dat de individuele wormen veel kracht inpakken."

Sommige wormen waren sterker dan andere, en naarmate de temperatuur toenam, hun bereidheid om te trainen in de sportschool nam af.

Wormprincipes toepassen op robots

Ozkan-Aydin paste de principes die in de wormen zijn waargenomen ook toe op kleine robotachtige klodders die zijn samengesteld uit "slimme actieve deeltjes, Zes 3D-geprinte robots met twee armen en twee sensoren waardoor ze licht kunnen waarnemen. Ze voegde een omhulsel van gaas en pinnen aan de armen toe waardoor deze "snippers" verstrikt konden raken als de wormen en testte een verscheidenheid aan gangen en bewegingen die erin kunnen worden geprogrammeerd.

"Afhankelijk van de intensiteit, de robots proberen weg te komen van het licht, " zei Ozkan-Aydin. "Ze genereren opkomend gedrag dat vergelijkbaar is met wat we in de wormen zagen."

Ze merkte op dat er geen communicatie was tussen de robots. "Elke robot doet zijn eigen ding op een gedecentraliseerde manier, "zei ze. "Alleen gebruik makend van de mechanische interactie en de aantrekkingskracht die elke robot had voor de lichtintensiteit, we zouden de robotblob kunnen besturen."

Door het energieverbruik van een individuele robot te meten wanneer deze verschillende gangen uitvoerde (wiebelen en kruipen), ze stelde vast dat de wiebelgang minder kracht verbruikt dan de kruipgang. De onderzoekers verwachten dat door gebruik te maken van loopdifferentiatie, toekomstige verstrengelde robotzwermen zouden hun energie-efficiëntie kunnen verbeteren.

Uitbreiden wat robotzwermen kunnen doen

De onderzoekers hopen hun studie van de collectieve dynamiek van de wormklodders voort te zetten en wat ze leren toe te passen op zwermrobots, die moeten samenwerken met weinig communicatie om taken te volbrengen die ze niet alleen konden doen. Maar die systemen moeten in de echte wereld kunnen werken.

"Vaak willen mensen robotzwermen specifieke dingen laten doen, maar ze werken meestal in ongerepte omgevingen met eenvoudige situaties, " zei Goldman. "Met deze klodders, het hele punt is dat ze alleen werken vanwege fysieke interactie tussen de individuen. Dat is een interessante factor om mee te nemen in robotica."

Een van de uitdagingen die voor ons liggen, is het werven van afgestudeerde studenten die willen werken met de wormklodders, die de consistentie hebben van brooddeeg.

"De wormen zijn erg fijn om mee te werken, "zei Ozkan-Aydin. "We kunnen met ze spelen en ze zijn erg vriendelijk. Maar er is een persoon voor nodig die zeer comfortabel is om met levende systemen te werken."

Het project laat zien hoe de biologische wereld inzichten kan verschaffen die gunstig zijn voor robotica, zei Kathryn Dickson, programmadirecteur van het Physiological Mechanisms and Biomechanics Program bij de National Science Foundation.

"Deze ontdekking toont aan dat observaties van dierlijk gedrag in natuurlijke omgevingen, samen met biologische experimenten en modellering, nieuwe inzichten kan bieden, en hoe nieuwe kennis die is opgedaan door interdisciplinair onderzoek mensen kan helpen, bijvoorbeeld, in de robotbesturingstoepassingen die uit dit werk voortvloeien, " ze zei.