Ученым еще предстоит открыть механизмы, объясняющие, как стаи птиц, стаи рыб, ряды муравьев и другие сложные природные системы так хорошо организуются при коллективном перемещении.
Чтобы решить эту проблему, исследователи из Испании и США.S. проанализировали передвижения аргентинских муравьев (Linepithema humile, инвазивный вид во многих частях мира) во время кормления или исследования пустого пространства (чашки Петри) и предложили модель, объясняющую, как они формируют свои маршруты.
Авторы, чье исследование было опубликовано в журнале Mathematical Biosciences, начали с наблюдения за поведением муравьев по отдельности, а затем в группе. Они записали все свои движения и на основе этих экспериментов обнаружили, что случайные изменения направления насекомых следуют математическим закономерностям.
«Чтобы быть более конкретным, они представляют собой смесь распределений Гаусса и Парето, двух функций вероятности, которые обычно используются в статистике и которые в данном случае определяют, сколько муравей« поворачивается »на каждом шаге и в каком направлении он будет двигаться, "Мария Вела Перес, исследователь Европейского университета в Мадриде и соавтор исследования, объясняет.
Ученые уже подтвердили в своих предыдущих исследованиях, что «настойчивость» муравьев, или, скорее, их склонность не менять своего направления, пока нет препятствий или внешних воздействий, вместе с «подкреплением», происходящим в районах, которые они уже посетили ( благодаря феромоновому следу, который они оставляют) — это два фактора, которые определяют их маршруты во время кормления.
Теперь, используя эти данные, они смогли создать модель, описывающую коллективное движение муравьев по поверхности. Численное моделирование на компьютере показывает формирование разветвленных структур, очень похожих на те, что наблюдались в чашках Петри во время реального эксперимента с муравьями.
Приложения в небольших роботах
Помимо чисто биологического интереса, эти достижения могут быть применены в различных технологических областях. «Например, их можно использовать для координации группы микророботов или небольших роботов для очистки загрязненной территории или других задач», — отмечает Вела Перес.
Исследователь напоминает нам, что изучение моделирования, организации и координации поведения животных является ярким примером междисциплинарного сотрудничества: «биологи участвуют в проведении экспериментов в лаборатории и предоставляют реальные данные в сотрудничестве с математиками и физиками, которые предлагают и решить модели."
Одним из исследователей, принимавших участие в этом исследовании, является Марко А. Фонтелос из Института математических наук (ICMAT), который также является соавтором другого исследования, касающегося образования линий муравьев, которые «можно охарактеризовать как бифуркации или новаторские, когда концентрация феромонов превышает определенное значение.«Теоретическая модель основана на уравнениях в частных производных, подробности опубликованы в« Журнале математического анализа и приложений ».