Individualmente, I blackworm della California vivono una vita insignificante mangiando microrganismi negli stagni e servendo come cibo per pesci tropicali per gli appassionati di acquari. Ma insieme, decine, centinaia, o migliaia di creature lunghe un centimetro possono collaborare per formare un "blob di verme, "un liquido vivente mutaforma che protegge collettivamente i suoi membri dall'essiccamento e li aiuta a sfuggire a minacce come il calore eccessivo.

Mentre altri organismi formano stormi collettivi, scuole, o sciami per scopi come l'accoppiamento, predazione, e protezione, i vermi Lumbriculus variegatus sono insoliti nella loro capacità di intrecciarsi insieme per svolgere compiti che gli individui non collegati non possono. Un nuovo studio riportato dai ricercatori del Georgia Institute of Technology descrive come i vermi si auto-organizzano per agire come "materia attiva impigliata, "creando sorprendenti comportamenti collettivi i cui principi sono stati applicati per aiutare blob di semplici robot ad evolvere la propria locomozione.

La ricerca, sostenuto dalla National Science Foundation e dall'Ufficio di ricerca dell'esercito, è stato riportato il 5 febbraio sulla rivista Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze . I risultati del lavoro potrebbero aiutare gli sviluppatori di robot a sciame a capire come il comportamento emergente della materia attiva entangled possa produrre inaspettati, complesso, e comportamenti guidati meccanicamente potenzialmente utili.

Comportamento collettivo nei vermi

La scintilla per la ricerca è arrivata diversi anni fa in California, dove Saad Bhamla era incuriosito dalle macchie dei vermi che vedeva in uno stagno nel cortile.

"Eravamo curiosi di sapere perché questi vermi avrebbero formato questi blob viventi, " disse Bhamla, un assistente professore presso la School of Chemical and Biomolecular Engineering della Georgia Tech. "Ora abbiamo dimostrato attraverso modelli matematici ed esperimenti biologici che la formazione dei blob conferisce una sorta di processo decisionale collettivo che consente ai vermi in un blob più grande di sopravvivere più a lungo contro l'essiccamento. Abbiamo anche dimostrato che possono muoversi insieme, un comportamento collettivo che non è fatto da nessun altro organismo che conosciamo su scala macro."

Tale comportamento collettivo nei sistemi viventi è di interesse per i ricercatori che esplorano modi per applicare i principi dei sistemi viventi a sistemi progettati dall'uomo come i robot dello sciame, in cui gli individui devono anche lavorare insieme per creare comportamenti complessi.

"Il collettivo di blob di vermi risulta avere capacità che sono più di quelle che hanno gli individui, un meraviglioso esempio di emergenza biologica, " ha detto Daniel Goldman, un professore della famiglia Dunn presso la School of Physics della Georgia Tech, che studia la fisica dei sistemi viventi.

Perché i vermi formano blob?

Il sistema worm blob è stato ampiamente studiato da Yasemin Ozkan-Aydin, un ricercatore associato nel laboratorio di Goldman. Usando fasci di vermi che aveva originariamente ordinato a una società di forniture di acquari della California, e ora alleva nei laboratori della Georgia Tech, Ozkan-Aydin ha sottoposto i vermi a diversi esperimenti. Questi includevano lo sviluppo di una "palestra per vermi" che le consentiva di misurare la forza dei singoli vermi, conoscenza importante per capire come un piccolo numero di creature può spostare un intero blob.

Ha iniziato prendendo i vermi acquatici fuori dall'acqua e osservando il loro comportamento. Primo, iniziarono individualmente a cercare l'acqua. Quando quella ricerca fallì, formavano un blob a forma di palla in cui gli individui si alternavano sulla superficie esterna esposta all'aria dove stava avvenendo l'evaporazione:un comportamento che lei teorizzava avrebbe ridotto l'effetto dell'evaporazione sul collettivo. Studiando i blob, ha imparato che i vermi in un blob possono sopravvivere fuori dall'acqua 10 volte più a lungo dei singoli vermi.

"Vorrebbero certamente ridurre l'essiccamento, ma il modo in cui lo farebbero non è ovvio e indica una sorta di intelligenza collettiva nel sistema, " ha detto Goldman. "Non sono solo macchine per ridurre al minimo la superficie. Stanno cercando di sfruttare buone condizioni e risorse".

Usare i blob per sfuggire alle minacce

Ozkan-Aydin ha anche studiato come i blob di vermi rispondono sia ai gradienti di temperatura che alla luce intensa. I vermi hanno bisogno di una gamma specifica di temperature per sopravvivere e non amano la luce intensa. Quando un blob è stato posto su un piatto riscaldato, si è allontanato lentamente dalla porzione più calda della piastra alla porzione più fredda e sotto una luce intensa ha formato bolle strettamente aggrovigliate. I vermi sembravano dividere le responsabilità del movimento, con alcuni individui che tiravano il blob mentre altri aiutavano a sollevare l'aggregazione per ridurre l'attrito.

Come per l'evaporazione, l'attività collettiva migliora le possibilità di sopravvivenza per l'intero gruppo, che può variare da 10 vermi fino a 50, 000.

"Per un singolo verme che va dal caldo al freddo, la sopravvivenza dipende dal caso, " disse Bhamla. "Quando si muovono come un blob, si muovono più lentamente perché devono coordinare la meccanica. Ma se si muovono come un blob, Il 95% di loro arriva al lato freddo, quindi far parte del blob conferisce molti vantaggi in termini di sopravvivenza."

Una palestra per i vermi

I ricercatori hanno notato che erano necessari solo due o tre vermi "estrattori" per trascinare un blob di 15 vermi. Ciò li ha portati a chiedersi quanto fossero forti le creature, così Ozkan-Aydin creò una serie di pali e cantilever in cui poteva misurare le forze esercitate dai singoli vermi. Questa "palestra dei vermi" le ha permesso di apprezzare come gli estrattori riuscivano a fare il loro lavoro.

"Quando i vermi sono felici e freschi, si allungano, si aggrappano con la testa a uno dei pali e vi tirano sopra, " Bhamla ha detto. "Quando stanno tirando, puoi vedere la deflessione del cantilever a cui erano attaccate le loro code. Yasemin è stato in grado di utilizzare pesi noti per calibrare le forze create dai vermi. La misurazione della forza mostra che i singoli vermi stanno accumulando molta potenza".

Alcuni vermi erano più forti di altri, e all'aumentare della temperatura, la loro volontà di allenarsi in palestra è diminuita.

Applicare i principi dei worm ai robot

Ozkan-Aydin ha anche applicato i principi osservati nei vermi a piccoli blob robotici composti da "particelle attive intelligenti, " sei robot stampati in 3D con due braccia e due sensori che consentono loro di percepire la luce. Ha aggiunto un involucro a rete e perni ai bracci che hanno permesso a questi "smarticles" di essere impigliati come i vermi e ha testato una varietà di andature e movimenti che potrebbero essere programmati in essi.

"A seconda dell'intensità, i robot cercano di allontanarsi dalla luce, " Ha detto Ozkan-Aydin. "Generano un comportamento emergente che è simile a quello che abbiamo visto nei vermi".

Ha notato che non c'era comunicazione tra i robot. "Ogni robot sta facendo le sue cose in modo decentralizzato, " ha detto. "Utilizzando solo l'interazione meccanica e l'attrazione che ogni robot aveva per l'intensità della luce, potremmo controllare il blob del robot."

Misurando il consumo energetico di un singolo robot quando esegue diverse andature (wiggle e crawl), ha determinato che l'andatura oscillante utilizza meno energia rispetto all'andatura strisciante. I ricercatori anticipano che sfruttando la differenziazione dell'andatura, futuri sciami robotici impigliati potrebbero migliorare la loro efficienza energetica.

Espandere ciò che possono fare gli sciami di robot

I ricercatori sperano di continuare il loro studio sulle dinamiche collettive dei blob di vermi e di applicare ciò che apprendono ai robot dello sciame, che devono collaborare con poca comunicazione per svolgere compiti che non potrebbero svolgere da soli. Ma quei sistemi devono essere in grado di funzionare nel mondo reale.

"Spesso le persone vogliono che gli sciami di robot facciano cose specifiche, ma tendono ad operare in ambienti incontaminati con situazioni semplici, " ha detto Goldman. "Con questi blob, il punto è che funzionano solo a causa dell'interazione fisica tra gli individui. Questo è un fattore interessante da introdurre nella robotica".

Tra le sfide future ci sono il reclutamento di studenti laureati disposti a lavorare con i blob di vermi, che hanno la consistenza della pasta del pane.

"È molto bello lavorare con i vermi, " ha detto Ozkan-Aydin. "Possiamo giocare con loro e sono molto amichevoli. Ma ci vuole una persona che sia molto a suo agio nel lavorare con i sistemi viventi".

Il progetto mostra come il mondo biologico può fornire approfondimenti utili al campo della robotica, disse Kathryn Dickson, direttore del programma del programma sui meccanismi fisiologici e sulla biomeccanica presso la National Science Foundation.

"Questa scoperta mostra che le osservazioni del comportamento animale in ambienti naturali, insieme a esperimenti e modelli biologici, può offrire nuovi spunti, e come le nuove conoscenze acquisite dalla ricerca interdisciplinare possono aiutare gli esseri umani, Per esempio, nelle applicazioni di controllo robotico derivanti da questo lavoro, " lei disse.