일주일에 정원 개미의 식민지와 흙 더미를 주면 개미 스케일링 도시의 마천루의 높이에 대한 지하 건물로 변형됩니다. 청사진이나 지도자가 없으면 수천 개의 곤충이 움직이는 흙을 움직이는 흙을 움직이면 터널 네트워크로 연결된 평행 레벨을 가진 복잡하고 해면과 같은 구조를 만듭니다. 일부 개미 종은 심지어 몸에서 살아있는 구조를 구축합니다. 중남미의 군대 개미와 소방 개미는 원정을 구하기위한 길을 매끄럽게하는 교량으로 모여 홍수를 피하기 위해 특정 유형의 화재 개미를 임시 뗏목으로 클러스터합니다.
.작은 두뇌를 가진 곤충은 어떻게 인상적인 구조를 엔지니어링합니까?
과학자들은 수십 년 동안 개미 및 기타 곤충의 사회적 행동을 연구 해 왔으며 곤충이 행동을 조정하는 데 사용하는 화학 신호 및 기타 신호를 찾고 있습니다. 이 작업의 대부분은 개미가 집을 마구 또는 건설 할 곳을 결정하는 방법을 이해하는 데 중점을 두었습니다. 그러나 ANT 행동의 관찰과 현대의 이미징 기술 및 계산 모델링을 결합한 새로운 연구가 개미 구조의 비밀을 밝히기 시작했습니다. 개미는 몇 가지 간단한 규칙을 준수하여 이러한 복잡한 작업을 수행한다는 것이 밝혀졌습니다.
애리조나 주립 대학의 생물학자인 스티븐 프랫 (Stephen Pratt)은“사람들은 마침내 토양이나 개미 자체로 만들어진 이러한 구조물을 생산하는 문제를 해결하기 시작했다. 곤충 사회의 조직은 많은 개인의 상호 작용으로 인해 발생하는 복잡한 분산 시스템의 마키 사례입니다.
.이러한 문제를 해결하면 Swarm Robotics, 많은 수의 간단한 로봇이 함께 작동 할뿐만 아니라 자조 재료 및 스스로를 구성 할 수있는 기타 시스템의 개선으로 이어질 수 있습니다. 보다 광범위하게, 개미가 순종하는 규칙을 식별하면 과학자들은 생물학적으로 복잡한 시스템이 어떻게 나타나는지 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다. 예를 들어, 세포 그룹이 장기를 일으키는 방법.
뉴저지 기술 연구소 (New Jersey Institute of Technology)의 생물학자인 Simon Garnier는“자연 조직 메커니즘은 배아의 발전에서 대규모 동물 집단 조직에 이르기까지 자연의 모든 곳에 존재한다.
프랑스 툴루즈의 동물 인식 연구 센터의 행동 생물 학자 인 Guy Theraulaz는 지난 20 년 동안 곤충 둥지를 연구 해 왔으며 데이터가 개선됨에 따라보다 복잡하고 현실적인 모델을 구축했습니다. 그들은 개미가 건축 자재를 픽업하고 떨어 뜨릴 때 지배하는 세 가지 기본 지침을 발견했습니다.
Theraulaz 's의 전 학생 인 Garnier는 현재 살아있는 안티 브릿지를 연구합니다. “최종 구조는 중앙 조정없이 나타납니다.”
Theraulaz의 팀은 대피소를 건설하려고 시도하면서 페트리 요리를 가로 질러 기어 다니는 개미의 비디오를 힘들게 분석했습니다. 연구원들은 세 가지 주요 규칙을 발견했습니다. 개미는 분당 약 2 개의 곡물 인 일정한 속도로 곡물을 집어 들었습니다. 그들은 다른 곡물 근처에 떨어 뜨려 기둥을 형성하는 것을 선호했습니다. 그리고 그들은 다른 개미가 처리 한 곡물을 선택하는 경향이 있었는데, 아마도 화학 페로몬의 표시로 인해 아마
연구원들은이 세 가지 규칙을 사용하여 둥지 건설 행동을 모방 한 컴퓨터 모델을 구축했습니다. 이 모델에서 가상 개미는 3 차원 공간 주위에서 무작위로 움직여 가상 페로몬에 담긴 가상 모래 조각을 집어 들었습니다. 모델 개미는 생물학적 상대방이 만든 것과 똑같이 보이는 기둥을 만들었습니다. 연구원들은 페로몬이 얼마나 빨리 증발하는지를 변경하여 기둥의 레이아웃을 바꿀 수 있으며, 이는 열과 습도와 같은 다양한 환경 조건이 개미 둥지의 구조에 영향을 미치는 이유를 설명 할 수 있습니다. (그들은 2011 년 컨퍼런스 보고서에 예비 버전의 모델을 게시했지만 아직 Real Ants를 더 잘 모방 한 더 세련된 버전을 게시하지는 않았습니다.)
Theraulaz는“여기서 진정한 참신함은이 구조의 형성과 변형을 자세히 관찰 할 수있는 새로 습득 한 능력입니다. "우리는 마침내 생명체가 어떻게 모여 복잡하면서도 완벽하고 반응적인 구조를 형성하는 방법에 대한 정확한 데이터에 액세스 할 수 있습니다."
.일주일 동안 시뮬레이션 후, 가상 개미는 실제 둥지처럼 보이는 것을 만들었습니다. 레이어는 그들 사이의 연결과 함께 쌓여 있습니다. Theraulaz는 연결 자체가 규칙에 명시 적으로 기록되지 않았다고 말했다.
이 연구에 참여하지 않은 미시간 주립 대학의 물리학 자이자 계산 생물 학자 크리스 아 다미 (Chris Adami)는“가장 오랫동안 사람들은 이것이 가능하다고 믿지 않았을 것입니다. “복잡한 동물 행동을 볼 때 사람들은 똑똑한 동물이어야한다고 가정했습니다.”
살아있는 건축
Georgia Institute of Technology의 David Hu 및 공동 작업자에게 Ant Architecture는 생계와 직장 두통입니다. Hu의 팀은“개미가 벽돌과 벽돌 층인 살아있는 건축물”을 연구한다고 Hu는 말했다. 그러나 HU의 실험실의 불 개미도 교묘 한 탈출 예술가입니다. 그들은 인클로저를 피하고 잠긴 문 아래에서 크게 탑을 만들기 위해 탑을 짓습니다. Hu는 3 일간의 주말에 겁을 먹으며, 개미는 동료들의 책상 아래에서 수십만 개의 개미로 만든 둥지 (Bivouacs)를 자유롭게 해줄 시간을줍니다. 모두가 직장으로 돌아 오면 감염된 사무실로부터 당황한 전화를받습니다.
Hu는“우리는 항상 실험실에서 탈출하고 있습니다. "비 바우 아크는 습도와 온도에 따라 터널과 창문이 열리고 닫을 수있는 터널과 창문으로 정교합니다."
.그의 연구에서 HU는 먼저 더 간단한 구조 인 개미 뗏목을 이해하는 데 중점을두고 있습니다. 곤충은 최대 100,000 명의 구성원으로 구성된 뗏목으로 모여 서식지의 홍수를 피할 수 있습니다. 저녁 식사 접시만큼 커질 수있는 놀랍게도 부력이있는 구조는 몇 주 동안 떠 다니면서 식민지가 생존하고 새로운 집을 찾을 수 있습니다.
Hu와 Collaborators는 이전에 한 숟가락의 개미가 물에 떨어지면 곤충 덩어리가 간단한 과정을 통해 판카 셀과 같은 뗏목으로 변모한다는 것을 보여주었습니다. 각 개미는 물가에 부딪 칠 때까지 멍청한 표면에서 무작위로 걷습니다. Hu는“개별 개미는 뗏목이 얼마나 큰지, 뗏목의 위치 및 다른 개미가 무엇을하고 있는지 알 수 없다”고 말했다. "유일한 의사 소통은 구조의 가장자리에서 진행됩니다. 그곳에서 구조가 자라는 곳입니다." Hu의 팀은 이러한 간단한 규칙을 사용하여 실제 개미가 만든 것과 동일한 역학을 가진 가상 개미 래프트를 구축했습니다.
Hu의 팀은 개미 뗏목에 놀라운 힘과 부력을주는 것이 무엇인지 정확히 이해하고 싶었습니다. 그들은 개미의 뗏목을 얼린 다음 컴퓨터 단층 촬영 (CT 스캔이라고도 함)을 사용하여 이미지를 만들었습니다.
Journal of Experimental Biology의 다가오는 논문에 출판 될 연구 결과는 개미가 통기성과 방수 기능을 모두 갖춘 직물 인 3 차원 Gore-Tex와 같은 것으로 자신을 직조한다는 것을 보여줍니다. 개미는 연결된 개미에서 멀어지면서 공기 주머니를 형성하여 75 %의 공기 인 부력이 높은 뗏목을 만듭니다. 개미 직물의 직조는 개별 개미들 사이의 여러 연결에 의해 함께 유지되며, 이는 서로 수직으로 지분됩니다. Hu는“큰 규모로 일어나는 일은 소규모에서 많은 상호 작용의 결과입니다. 결과는 구조의 바닥에있는 개미조차도 생존 할 수 있도록하는 수비성 격자입니다.
엔지니어로서 HU는 다른 재료처럼 개미 대기업을보고 플라스틱, 강철 또는 꿀을 연구 할 수있는 것처럼 자신의 특성을 연구합니다. 그러나 개미는 액체 또는 고체 역할을 할 수있는 특이한 능력을 가지고 있으며, HU는이 능력에 대한 추가 연구가 엔지니어가 균열을 감지하고 수정할 수있는 다리와 같은 자조 구조를 설계하는 데 도움이되기를 희망합니다.
.그의 개미 건축가를 찾기 위해 Garnier는 때때로 파나마 운하의 섬에서 열대 우림을 방황하는 그의 공동 작업자와 함께 며칠을 보냅니다. 그러나 가까운 거리에서 목표는 쉽게 찾을 수 있습니다. 거대한 젊은이들을위한 음식을 찾기 위해 군대 개미의 거대한 늪지대는 때때로 축구장의 길이와 거의 절반을 덮습니다. 이 유목민 종의 개미는 특징적인 행진 기둥으로 명명 된 주변을 담그십시오. 그들의 끊임없는 구조를 신속하게하기 위해, 개미는 자신의 몸을 빌딩 블록으로 사용하여 자신의 친족의 부드럽고 편리한 경로를 만들기 위해 자신의 몸을 사용하여 자신의 경로 나 나무를 가로 질러 간격 위에 다리를 빠르게 건설합니다. 과학자들은이 호기심 많은 생물들을 오랫동안 연구 해 왔으며, 구조와 다리 구축 전술의 진화론 적 이점을 탐구했지만 Garnier와 공동 작업자는 구조가 어떻게 형성되는지 정확히 연구 한 최초의 사람들 중 하나입니다. 그들은 행진 칼럼의 경로에 장애물을 쌓고 다리를 건설 할 때 개미를 기록합니다.
화재 개미 뗏목과 마찬가지로 교량은 간단한 규칙을 기반으로 구축되며 놀라운 강점과 유연성을 가지고 있습니다. 개미가 도로에서 간격을 감지하자마자 다리를 짓기 시작하여 수십 센티미터에 이르고 수백 개의 개미를 포함 할 수 있습니다. 구조가 형성되면 개미는 교통 오버 헤드를 느끼는 한 위치를 유지하여 교통이 밝아 지 자마자 다리를 해체합니다. Garnier는“구조에 가입하거나 떠나기로 한 결정의 정확한시기는 트레일의 트래픽 기능으로 안정성을 극대화합니다. "교량을 형성하고 해체하는 행동 규칙은 트래픽을 처리하도록 최적으로 설계되었습니다."
.Garnier의 팀은 이제 개별 개미가 서로 어떻게 달라 붙어 구조를 만들고 고정점의 개미가 어떻게 100 명의 동지의 무게를 유지할 수 있는지 연구하고 있습니다. 애리조나 주립 대학의 진화론 생물 학자 인 Bert Hölldobler는“이것은 매우 흥미 진진한 접근법이라고 생각합니다.
시러큐스의 뉴욕 주 환경 과학 및 임업 대학의 생물 학자 인 Scott Turner는“살아있는 건축 연구에서 나오는 가장 흥미로운 결과 중 하나는“이 과정이 얼마나 역동적이고 풍부한 지에 대한 것”이라고 말했다. Garnier의 작업은 개미가 변화하는 요구에 따라 다리를 구축하고 분해 함을 보여줍니다. 다리를 연구하는 HU 그룹의 예비 작업은 힘과 무결성과 같은 구조의 속성이 변화하는 조건으로 진화한다는 것을 보여줍니다.
Hölldobler는 세 프로젝트 모두에 대해 흥분하지만 모델이 실제 개미 행동을 모방한다고해서 실제로 일어나는 일을 반영한다는 의미는 아니라고 경고합니다. 그는 과학자들이 하나에 대한 증거를 찾지 못했을 때 만들어진 화학 트레일 마커가 필요하지 않고 복잡한 단조 원정대를 다시 만들어 낸 사막 개미 모델의 경우를 인용합니다. 그러나 Hölldobler의 팀은 나중에 곤충이 실제로 화학 마커를 사용하여 모델의 유용성을 제한한다는 것을 발견했습니다.
또한 현재 누락 된 것은 개미 행동을 이해하기위한 진화 적 접근입니다. 이 질문에 대해 Garnier와 함께 일할 계획 인 Adami는“다른 규칙에서 규칙이 어떻게 나타나고 환경에서 어떻게 변화하는지 이해할 수 있다면,이 질문에 대해 Garnier와 함께 일할 계획 인 Adami는 말했다.
.한편 엔지니어들은 이미 유용한 응용 프로그램을 꿈꾸고 있습니다. 그들은 개미 구조 원칙을 사용하여 자체 구성 할 수있는 모듈 식 로봇을 설계하기를 희망합니다. Adami는 인간이 도착하기 전에 화성 토양으로부터 구조를 만들기 위해 화성으로 보내진 로봇의 떼를 상상합니다. 분산 시스템의 아름다움은 개별 부품이 실패하더라도 프로젝트가 성공할 수 있다는 것입니다.
동적 개미 아키텍처는 예를 들어, 건물을보다 적응력있게 만드는 방법에 대한 통찰력을 제공하여 내부에 얼마나 많은 사람들이 있는지에 따라 속성을 변경합니다. Turner는“거실 건물을 만들려면“환경을 지속적으로 모니터링하고 떼가 환경에 미치는 영향”이라고 Turner는 말했습니다.
개미는 심지어 우리가 그들을 연구하는 데 사용하는 기관의 복잡한 조직, 즉 뇌를 밝힐 수도 있습니다. Hölldobler는 개미 공동체의 행동은 뉴런의 조직과 기능하는 뇌로 유사하다고 말했다. "각 뉴런은 비교적 멍청하지만 수십억의 뉴런을 복용하면 이해의 표면 만 긁히는 방식으로 상호 작용합니다."
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