Riuniti in un piccolo capannone in mezzo a un tranquillo prato, io e i miei colleghi stiamo per azionare l'interruttore per avviare una procedura apparentemente banale:usare un motore per scuotere una tavola di legno. Ma sotto questa tavola, abbiamo uno sciame di circa 10, 000 api, aggrappandosi l'uno all'altro in un unico magnifico cono pulsante.

Mentre condividiamo un ultimo sguardo di eccitata preoccupazione, lo sciame, letteralmente un pezzo di materia viva, inizia a muoversi a destra e a sinistra, tremolante come gelatina.

Chi sano di mente scuoterebbe uno sciame di api? I miei colleghi ed io stiamo studiando gli sciami per approfondire la nostra comprensione di questi impollinatori essenziali, e anche per vedere come possiamo sfruttare tale comprensione nel mondo dei materiali robotici.

Molte api creano uno sciame

Gli sciami nel nostro studio si verificano come parte del ciclo riproduttivo delle colonie di api europee. Quando il numero di api supera le risorse disponibili, di solito in primavera o in estate, una colonia si divide in due gruppi. Un gruppo, e una regina, vola via alla ricerca di una nuova posizione permanente mentre il resto delle api rimane indietro.

Durante quello sforzo, le api che si trasferiscono formano temporaneamente uno sciame altamente adattabile che può pendere dai rami degli alberi, tetti, recinzioni o automobili. Mentre sospeso, non hanno un nido per proteggerli dagli elementi. Raggrupparsi insieme consente loro di ridurre al minimo la perdita di calore nell'ambiente esterno più freddo. Devono inoltre adattarsi in tempo reale alle variazioni di temperatura, pioggia e vento, tutto ciò potrebbe infrangere la fragile protezione che condividono come una sola unità.

Lo sciame è di ordini di grandezza più grande delle dimensioni di una singola ape. Un'ape potrebbe potenzialmente coordinare la sua attività con le api vicine proprio accanto ad essa, ma di certo non poteva coordinarsi direttamente con nessuna ape all'estremità dello sciame.

Quindi, come riescono a mantenere la stabilità meccanica di fronte a qualcosa come un forte vento, un test che richiede una coordinazione quasi simultanea durante l'intero sciame?

I miei colleghi Jacob Peters, Maria Salcedo, L. Mahadevan e io abbiamo ideato una serie di esperimenti per rispondere a questa domanda, il che ci riporta a scuotere intenzionalmente lo sciame.

Azioni individuali, risposta dell'intero sciame

Quando abbiamo scosso lo sciame lungo il suo asse orizzontale, le api adattarono la forma del loro sciame e in pochi minuti si allargarono, cono più stabile. Però, quando il movimento era verticale, la forma è rimasta costante fino a quando non è stata raggiunta una forza critica che ha causato la rottura dello sciame.

Perché le api hanno risposto allo scuotimento orizzontale, ma non per scuotimento verticale? Si tratta di come si allungano i legami che le api creano "tenendosi per mano".

Si scopre che lo scuotimento verticale non interrompe questi legami di coppia tanto quanto lo fa lo scuotimento orizzontale. Utilizzando un modello computazionale, abbiamo mostrato che i legami tra le api situate più vicino al punto in cui lo sciame si attacca al tabellone si estendono più dei legami tra le api all'estremità più lontana dello sciame. Le api potevano percepire queste diverse quantità di allungamento, e usali come segnale direzionale per muoverti verso l'alto e far diffondere lo sciame.

In altre parole, le api si spostano da luoghi in cui i legami si estendono meno, in luoghi dove si estendono di più. Questa risposta comportamentale migliora la stabilità collettiva dello sciame nel suo insieme a scapito dell'aumento del carico medio sperimentato dalla singola ape. Il risultato è una sorta di "altruismo meccanico", come l'unica ape sopporta lo sforzo per il bene più grande dello sciame.

lezioni di ingegneria, insegnata dalle api

In qualità di fisico di ampia formazione che studia il comportamento animale, Sono affascinato da questo tipo di soluzione evoluta in natura. È incredibile che le api possano creare materiali multifunzionali, fatti dei loro numerosi corpi individuali, in grado di modellare il cambiamento senza che un conduttore globale dica loro cosa fare. Nessuno è responsabile, ma insieme mantengono intatto lo sciame.

E se gli ingegneri potessero prendere quelle soluzioni e lezioni dalla natura e applicarle agli edifici? Invece di un fascio di api ronzanti, potresti immaginare un fascio di ronzanti robot che si aggrappano l'uno all'altro per creare strutture adattive in tempo reale? Posso immaginare rifugi che si dispiegano rapidamente di fronte a disastri naturali come gli uragani, o materiali da costruzione che possono percepire le vibrazioni di un terremoto e rispondere allo stesso modo in cui questi sciami reagiscono a un ramo nel vento.

Essenzialmente, queste api creano un materiale autonomo che, incorporato in se stesso, ha molteplici capacità. Lo sciame può percepire informazioni dall'ambiente vicino, in base a quanto si stanno allungando i legami di coppia. Può calcolare, nel senso che calcola quali regioni hanno un maggior allungamento del legame. E può attivare, significa muoversi nella direzione verso un maggiore allungamento.

Queste proprietà sono alcune delle aspirazioni di vecchia data nei campi dei materiali multifunzionali e dei materiali robotici. L'idea è quella di combinare robot a prezzi accessibili che abbiano ciascuno una quantità minima di componenti meccanici e sensori, come i blocchi M. Insieme possono percepire il loro ambiente locale, interagire con i robot vicini e prendere le proprie decisioni su dove muoversi dopo. come Hiro, il giovane robotista nel film Disney "Big Hero 6" dice, "Le applicazioni a questa tecnologia sono illimitate."

Per il momento, questa è ancora fantascienza. Ma più ricercatori conoscono le soluzioni naturali delle api, più ci avviciniamo a realizzare quel sogno.

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.