Per formiche e robot che operano in spazi ristretti come tunnel, avere più lavoratori non significa necessariamente ottenere più lavoro svolto. Proprio come troppi cuochi in cucina si intralciano a vicenda, avere troppi robot nei tunnel crea zoccoli che possono portare il lavoro a una brusca battuta d'arresto.

Uno studio pubblicato il 17 agosto sulla rivista Scienza mostra che nelle colonie di formiche di fuoco, un piccolo numero di lavoratori fa la maggior parte degli scavi, lasciando che le altre formiche sembrino un po' meno che laboriose. Per scavare gallerie nido, questo approccio meno impegnativo consente di svolgere il lavoro senza ingorghi, garantendo un flusso di scavo regolare. I ricercatori hanno scoperto che l'applicazione della strategia di ottimizzazione delle formiche ai robot autonomi evita gli intasamenti meccanizzati e consente di svolgere il lavoro con la minima quantità di energia.

L'ottimizzazione dell'attività dei robot sotterranei autonomi potrebbe essere utile per compiti come il ripristino di emergenza, scavare o addirittura scavare rifugi sotterranei per i futuri esploratori planetari. La ricerca è stata supportata dal programma Physics of Living Systems della National Science Foundation, l'Ufficio di ricerca dell'esercito e la cattedra della famiglia Dunn.

"Abbiamo notato che se hai 150 formiche in un contenitore, solo 10 o 15 di loro scaveranno effettivamente nei tunnel in un dato momento, " ha detto Daniel Goldman, professore alla School of Physics del Georgia Institute of Technology. "Volevamo sapere perché, e per capire come potrebbero essere all'opera le leggi fondamentali della fisica. Abbiamo trovato un funzionale, beneficio della comunità a questa apparente disuguaglianza nell'ambiente di lavoro. Senza esso, scavare semplicemente non viene fatto."

Monitorando le attività di 30 formiche che erano state dipinte per identificare ogni individuo, Goldman e colleghi, tra cui l'ex borsista post-dottorato Daria Monaenkova e Ph.D. studente Bahnisikha Dutta, ha scoperto che solo il 30 percento delle formiche stava facendo il 70 percento del lavoro, una disuguaglianza che sembra continuare a far ronzare il lavoro. Però, questo a quanto pare non è perché le formiche più impegnate sono le più qualificate. Quando i ricercatori hanno rimosso le cinque formiche più laboriose dal contenitore del nido, non hanno visto diminuire la produttività mentre i restanti 25 hanno continuato a scavare.

Avere un nido è essenziale per sparare alle formiche, e se una colonia viene spostata, da un'alluvione, per esempio, la prima cosa che le formiche faranno una volta raggiunta la terraferma è iniziare a scavare. I loro tunnel sono stretti, appena abbastanza largo da far passare due formiche, una caratteristica progettuale ipotizzata per dare vantaggi di locomozione nei tunnel verticali in via di sviluppo. Ancora, le formiche sanno come evitare di creare zoccoli ritirandosi dai tunnel già occupati da altri lavoratori, ea volte non facendo proprio niente.

Per evitare intasamenti e massimizzare lo scavo in assenza di un capo, i robot costruiti dallo studente del master di Goldman, Vadim Linevich, sono stati programmati per catturare aspetti delle formiche che si aggirano e si ritirano. I ricercatori hanno scoperto che fino a tre robot potrebbero funzionare efficacemente in uno stretto tunnel orizzontale scavando palline di plastica magnetiche stampate in 3D che simulavano il terreno appiccicoso. Se un quarto robot è entrato nel tunnel, però, che ha prodotto uno zoccolo che ha fermato del tutto il lavoro.

"Quando abbiamo messo quattro robot in un ambiente confinato e abbiamo cercato di farli scavare, si sono subito incastrati, " ha detto Goldman, chi è il professore della famiglia Dunn nella scuola di fisica. "Osservando le formiche, siamo rimasti sorpresi nel vedere che a volte gli individui andavano nel tunnel e se incontravano anche una piccola quantità di zoccoli, si sarebbero semplicemente voltati e si sarebbero ritirati. Quando mettiamo queste regole in combinazione con i robot, che ha creato una buona strategia per scavare rapidamente con un basso consumo di energia per robot."

Sperimentalmente, il team di ricerca ha testato tre potenziali comportamenti per i robot, che chiamavano "desideroso, " "inversione" o "pigro". Usando la strategia desiderosa, tutti e quattro i robot si sono immersi nel lavoro e si sono rapidamente bloccati. Nel comportamento inverso, i robot si sono arresi e si sono voltati quando hanno riscontrato ritardi nel raggiungere il luogo di lavoro. Nella strategia pigra, l'ozio era incoraggiato.

"L'entusiasmo è la strategia migliore se hai solo tre robot, ma se aggiungi un quarto, quel comportamento va a gonfie vele perché si intralciano a vicenda, " ha detto Goldman. " L'inversione produce scavi relativamente sani e sensati. Non è la strategia più veloce, ma non ci sono marmellate. Se guardi all'energia consumata, pigro è il corso migliore." Tecniche di analisi basate su fluidi vetrosi e superraffreddati, guidato dall'ex Ph.D. studente Jeffrey Aguilar, ha fornito informazioni su come le diverse strategie hanno mitigato e prevenuto i cluster che formano zoccoli.

Per capire cosa stava succedendo e sperimentare con i parametri, Goldman e colleghi, tra cui Will Savoie, un dottorato di ricerca in tecnologia della Georgia. alunno, L'assistente di ricerca Hui-Shun Kuan e la professoressa Meredith Betterton della School of Physics dell'Università del Colorado a Boulder hanno utilizzato modelli computerizzati noti come automi cellulari che hanno somiglianze con il modo in cui gli ingegneri del traffico modellano il movimento di auto e camion su un'autostrada.

"Sulle autostrade, troppo poche auto non forniscono molto flusso, mentre troppe macchine creano un ingorgo, " ha detto Goldman. "C'è un livello intermedio in cui le cose vanno meglio, e questo si chiama diagramma fondamentale. Dal nostro modellismo, abbiamo appreso che le formiche stanno lavorando proprio al culmine del diagramma. Il giusto mix di distribuzioni diseguali del lavoro e comportamenti di inversione ha il vantaggio di mantenerli in movimento alla massima efficienza senza inceppamenti".

I ricercatori hanno utilizzato robot progettati e costruiti per la ricerca, ma non potevano competere con le capacità delle formiche. Le formiche sono flessibili e robuste, in grado di schiacciarsi l'un l'altro in confini che farebbero inceppare i robot inflessibili. In alcuni casi, i robot nel laboratorio di Goldman si sono persino danneggiati a vicenda mentre si spingevano in posizione per scavare.

I risultati della ricerca potrebbero essere utili per l'esplorazione dello spazio in cui potrebbero essere necessari tunnel per proteggere rapidamente gli esseri umani dall'avvicinarsi di tempeste di polvere o altre minacce. "Se fossi uno sciame di robot su Marte e avessi bisogno di scavare a fondo in fretta per sfuggire alle tempeste di polvere, questa strategia potrebbe aiutare a fornire riparo senza avere informazioni perfette su ciò che tutti stavano facendo, "Ha spiegato Goldman.

Al di là delle potenziali applicazioni della robotica, il lavoro fornisce approfondimenti sulle complesse abilità sociali delle formiche e aggiunge alla comprensione della materia attiva.

"Le formiche che vivono in ambienti sotterranei complessi devono sviluppare sofisticate regole sociali per evitare le cose brutte che possono accadere quando ci sono molti individui in un ambiente affollato, " ha detto Goldman. "Stiamo anche contribuendo alla comprensione della fisica della materia attiva orientata al compito, mettendo più conoscenze sperimentali in fenomeni come gli sciami".