Para las hormigas y los robots que operan en espacios confinados como túneles, tener más trabajadores no significa necesariamente hacer más trabajo. De la misma manera que demasiados cocineros en la cocina se interponen entre sí, tener demasiados robots en los túneles crea obstrucciones que pueden provocar obstruccionesel trabajo se detiene por completo
Un estudio publicado el 17 de agosto en la revista ciencia muestra que en las colonias de hormigas de fuego, un pequeño número de trabajadores hace la mayor parte de la excavación, dejando que las otras hormigas se vean algo menos que laboriosas. Para cavar túneles de nidos, este enfoque menos ocupado hace el trabajo sin atascos de hormigas, asegurandoflujo de excavación suave. Los investigadores descubrieron que aplicar la estrategia de optimización de hormigas a robots autónomos evita obstrucciones mecanizadas y realiza el trabajo con la menor cantidad de energía.
La optimización de la actividad de los robots subterráneos autónomos podría ser útil para tareas como la recuperación de desastres, la minería o incluso la excavación de refugios subterráneos para futuros exploradores planetarios. La investigación fue apoyada por el programa de Física de Sistemas Vivos de la Fundación Nacional de Ciencias, la Oficina de Investigación del Ejército yla cátedra de la familia Dunn.
"Notamos que si tienes 150 hormigas en un contenedor, solo 10 o 15 de ellas estarán cavando en los túneles en cualquier momento", dijo Daniel Goldman, profesor de la Facultad de Física del Instituto de Georgia de Georgia.Tecnología: "Queríamos saber por qué y entender cómo podrían estar funcionando las leyes básicas de la física. Encontramos un beneficio funcional y comunitario para esta aparente desigualdad en el entorno laboral. Sin ella, cavar simplemente no se hace".
Al monitorear las actividades de 30 hormigas que habían sido pintadas para identificar a cada individuo, Goldman y sus colegas, incluida la ex becaria posdoctoral Daria Monaenkova y la estudiante de doctorado Bahnisikha Dutta, descubrieron que solo el 30 por ciento de las hormigas estaban haciendo el 70 por ciento deel trabajo, una desigualdad que parece mantener el trabajo en marcha, sin embargo, aparentemente no se debe a que las hormigas más ocupadas sean las más calificadas. Cuando los investigadores retiraron las cinco hormigas que trabajaban más duro del contenedor de nidos, no vieron una disminución de la productividadya que los 25 restantes continuaron cavando
Tener un nido es esencial para disparar hormigas, y si una colonia es desplazada, por ejemplo por una inundación, lo primero que harán las hormigas al llegar a tierra firme es comenzar a cavar. Sus túneles son estrechos, apenas lo suficientemente anchospara que pasen dos hormigas, una característica de diseño hipotetizada para dar ventajas de locomoción en los túneles verticales en desarrollo. Sin embargo, las hormigas saben cómo evitar crear obstrucciones al retirarse de los túneles ya ocupados por otros trabajadores, y a veces al no hacer nada en absoluto.
Para evitar obstrucciones y maximizar la excavación en ausencia de un líder, los robots construidos por el estudiante de maestría de Goldman, Vadim Linevich, fueron programados para capturar aspectos de las hormigas deslumbrantes y en retirada. Los investigadores descubrieron que hasta tres robots podían funcionar efectivamente en unestrecho túnel horizontal que cavaba bolas de plástico magnéticas impresas en 3D que simulaban un suelo pegajoso. Sin embargo, si un cuarto robot ingresaba al túnel, eso producía una obstrucción que detenía el trabajo por completo.
"Cuando colocamos cuatro robots en un ambiente confinado e intentamos que cavaran, inmediatamente se atascaron", dijo Goldman, quien es el profesor de la familia Dunn en la Facultad de Física. "Mientras observamos a las hormigas, nos sorprendiópara ver que las personas a veces iban al túnel y si encontraban incluso una pequeña cantidad de obstrucción, simplemente se daban la vuelta y se retiraban. Cuando combinamos esas reglas con los robots, eso creó una buena estrategia para cavar rápidamente conbajo consumo de energía por robot "
Experimentalmente, el equipo de investigación probó tres comportamientos potenciales para los robots, que denominaron "ansioso", "reversión" o "perezoso". Utilizando la estrategia entusiasta, los cuatro robots se lanzaron al trabajo, y rápidamente se atascaron.El comportamiento de reversión, los robots se dieron por vencidos y se dieron la vuelta cuando se encontraron con retrasos para llegar al lugar de trabajo. En la estrategia perezosa, se fomentó el retraso.
"Ansioso es la mejor estrategia si solo tienes tres robots, pero si agregas un cuarto, ese comportamiento se acumula porque se interponen entre ellos", dijo Goldman. "La reversión produce una excavación relativamente sana y sensata. No esestrategia más rápida, pero no hay atascos. Si se observa la energía consumida, la pereza es el mejor curso ". Las técnicas de análisis basadas en fluidos vidriosos y sobreenfriados, dirigidas por el ex estudiante de doctorado Jeffrey Aguilar, dieron una idea de cómo las diferentes estrategiasmitigó y evitó los grupos formadores de obstrucciones.
Para comprender lo que estaba sucediendo y experimentar con los parámetros, Goldman y sus colegas, incluidos Will Savoie, estudiante de doctorado de Georgia Tech, asistente de investigación Hui-Shun Kuan y profesora Meredith Betterton de la Facultad de Física de la Universidad deColorado en Boulder: utilizaba modelos de computadora conocidos como autómatas celulares que tienen similitudes con la forma en que los ingenieros de tránsito modelan el movimiento de automóviles y camiones en una carretera.
"En las carreteras, muy pocos autos no proporcionan mucho flujo, mientras que muchos autos crean un atasco", dijo Goldman. "Hay un nivel intermedio donde las cosas son mejores, y eso se llama diagrama fundamental. De nuestro modelado, aprendimos que las hormigas están trabajando justo en la cima del diagrama. La combinación correcta de distribuciones desiguales de trabajo y comportamientos de inversión tiene el beneficio de mantenerlas en movimiento con la máxima eficiencia sin atascos ".
Los investigadores usaron robots diseñados y construidos para la investigación, pero no eran rival para las capacidades de las hormigas. Las hormigas son flexibles y robustas, capaces de exprimirse unas a otras en confines que causarían que los robots inflexibles se atasquen.en algunos casos, los robots en el laboratorio de Goldman incluso se dañaron entre sí mientras se empujaban para cavar.
Los resultados de la investigación podrían ser útiles para la exploración espacial, donde se podrían necesitar túneles para proteger rápidamente a los humanos de las tormentas de polvo u otras amenazas. "Si usted fuera un robot enjambrado en Marte y necesitara cavar a toda prisa para alejarse del polvotormentas, esta estrategia podría ayudar a proporcionar refugio sin tener información perfecta sobre lo que todo el mundo estaba haciendo ", explicó Goldman.
Más allá de las posibles aplicaciones de robótica, el trabajo proporciona información sobre las complejas habilidades sociales de las hormigas y se suma a la comprensión de la materia activa.
"Las hormigas que viven en entornos subterráneos complejos tienen que desarrollar reglas sociales sofisticadas para evitar las cosas malas que pueden ocurrir cuando hay muchas personas en un ambiente lleno de gente", dijo Goldman. "También estamos contribuyendo a comprender la física demateria activa orientada a tareas, poniendo más conocimiento experimental en fenómenos como enjambres "
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Materiales proporcionados por Instituto de Tecnología de Georgia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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