Om det är en dålig idé att sparka ett bålgetingbo, det är verkligen en dålig idé att skaka en bisvärm. Såvida inte, självklart, det är för vetenskapen.

Ett team av forskare från Harvard University tillbringade månader med att skaka och skramla svärmar av tusentals honungsbin för att bättre förstå hur bin samarbetar för att stabilisera strukturer i närvaro av yttre belastningar.

Forskningen är publicerad i Naturfysik .

"Vår studie visar hur levande system utnyttjar fysiken för att lösa komplexa problem på skalor som är mycket större än individen, " sa L. Mahadevan, Lola England de Valpine professor i tillämpad matematik vid Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), Professor i organism- och evolutionsbiologi (OEB), och professor i fysik och senior författare till studien. "Vi visade att bin kan utnyttja miljöns fysiska egenskaper lösa ett globalt mekaniskt stabilitetsproblem genom att använda lokal avkänning och handling"

Denna forskning följer tidigare arbete av gruppen som visade hur bin också kollektivt kan upprätthålla temperaturen i ett kluster med hjälp av lokal avkänning och aktivering för att förhindra överhettning eller överkylning.

Bisvärmar bildas när en bidrottning slår ut med en stor grupp arbetsbin för att bilda en ny koloni. Medan scouter letar efter en ny boplats, kolonin bildar ett levande, andningsstruktur, gjorda av sina egna kroppar, på en närliggande trädgren. Dessa kluster bibehåller sin struktur och stabilitet i dagar i närvaro av vind, regn och andra yttre belastningar.

"Den primära frågan för vår forskning var, med tanke på att enskilda bin sannolikt bara kan känna sin interaktion med sina grannar, hur gör de ändringar för att upprätthålla den övergripande strukturen i klustret?" sa Orit Peleg, en tidigare postdoktor vid SEAS och medförfattare till uppsatsen.

Peleg är nu biträdande professor i datavetenskap vid University of Colorado-Boulder.

Forskarna byggde en bisvärm genom att fästa en burdrottning på en flyttbar bräda och vänta på att arbetsbin skulle samlas runt henne. När klustret väl bildades, forskarna simulerade vind genom att skaka brädan horisontellt och vertikalt.

De observerade att svärmen börjar med en konliknande struktur, med en viss höjd och basarea. När den skakas horisontellt, bina skapar en plattare kon genom att minska höjden och öka basytan. När skakningarna upphör, de går tillbaka till sin ursprungliga form.

Bina vet vilken väg de ska röra sig eftersom de reagerar på de lokala förändringarna från sina grannar.

"Enskilda bin kan berätta riktningen för stammen baserat på deras koppling till sina grannar, sa Jacob Peters, som nyligen försvarade sin doktorsexamen. i OEB, och medförfattare till tidningen. "Eftersom påfrestningarna på svärmen är högst på toppen av svärmen, där den är ansluten till filialen – eller i det här fallet, styrelsen – de vet att de ska gå upp. Alla bin flyttar upp tillsammans eftersom de påverkas av denna gradient, så det leder till en samordnad rörelse."

Föreställ dig att spela Ring-a-Round-the-Rosy med ögonbindel. Du vet inte vilken riktning alla i cirkeln rör sig, men du vet i vilken riktning din granne rör sig eftersom du håller deras hand. Du vet inte när alla faller ner, men du vet när du ska falla för din granne ramlar. Som bin i en svärm, du följer ledtrådarna förknippade med den lokala stammen från din granne.

När klustret plattar ut under horisontell skakning, belastningsfördelningen för enskilda bin ökar men kolonin överlag är mer stabil – på samma sätt som att huka sig när marken skakar. Forskarna kunde härma detta beteende i en datorsimulering genom att införa regler på lokal nivå.

Forskarna fann också att när bina skakades vertikalt, klustret anpassade inte sin form eftersom de lokala variationerna i deformationer var mindre.

Denna forskning kan ha bredare konsekvenser för hur vi tänker på kontrollalgoritmer och samarbetsmaskiner.

"När vi bygger maskiner eller material, vi använder enkla kontrollalgoritmer som är uppifrån och ner, där du har ett centraliserat kommando som styr alla rörliga delar i maskinen, sade Peters. Men i det här systemet, bina uppnår denna samordnade formförändring utan en central styrenhet. Istället, de är som en uppsättning distribuerade agenter med sina egna kontroller och de måste hitta ett sätt att samordna sig utan explicit långdistanskommunikation. Genom att studera dessa typer av system, det skulle kunna inspirera till nya sätt att tänka kring distribuerad kontroll av system i motsats till traditionell centraliserad kontroll."