Individuellt, Kaliforniens svartmaskar lever ett märkligt liv som äter mikroorganismer i dammar och fungerar som tropisk fiskmat för akvariumentusiaster. Men tillsammans, tiotal, hundratals, eller tusentals av de centimeterlånga varelserna kan samarbeta för att bilda en "maskklump, "en formförskjutande levande vätska som kollektivt skyddar sina medlemmar från att torka ut och hjälper dem att undkomma hot som överdriven värme.

Medan andra organismer bildar kollektiva flockar, skolor, eller svärmar för sådana ändamål som parning, predation, och skydd, maskarna Lumbriculus variegatus är ovanliga i sin förmåga att fläta ihop sig för att utföra uppgifter som icke -anslutna individer inte kan. En ny studie rapporterad av forskare vid Georgia Institute of Technology beskriver hur maskarna organiserar sig själva för att fungera som intrasslade "aktiva ämnen, "skapa överraskande kollektiva beteenden vars principer har tillämpats för att hjälpa klumpar av enkla robotar att utveckla sin egen rörelse.

Forskningen, med stöd av National Science Foundation och Army Research Office, rapporterades 5 februari i tidningen Förfaranden från National Academy of Sciences . Fynd från arbetet kan hjälpa utvecklare av svärmrobotar att förstå hur framväxande beteende hos intrasslade aktiva ämnen kan ge oväntade, komplex, och potentiellt användbara mekaniskt drivna beteenden.

Kollektivt beteende hos maskar

Gnistan för forskningen kom för flera år sedan i Kalifornien, där Saad Bhamla fascinerades av klumpar av maskarna som han såg i en bakgårdsdamm.

"Vi var nyfikna på varför dessa maskar skulle bilda dessa levande klumpar, "sa Bhamla, en biträdande professor vid Georgia Tech's School of Chemical and Biomolecular Engineering. "Vi har nu visat genom matematiska modeller och biologiska experiment att formning av klossarna ger ett slags kollektivt beslutsfattande som gör att maskar i en större klump kan överleva längre mot uttorkning. Vi visade också att de kan röra sig tillsammans, ett kollektivt beteende som inte utförs av några andra organismer vi känner till i makroskalan. "

Sådant kollektivt beteende i levande system är av intresse för forskare som undersöker sätt att tillämpa principerna för levande system på människodesignade system som svärmrobotar, där individer också måste arbeta tillsammans för att skapa komplexa beteenden.

"Maskklumpkollektivet visar sig ha kapacitet som är mer än vad individerna har, ett underbart exempel på biologisk uppkomst, "sa Daniel Goldman, en familjeprofessor i Dunn vid Georgia Tech's School of Physics, som studerar fysiken i levande system.

Varför maskarna bildar klumpar

Maskklussystemet studerades utförligt av Yasemin Ozkan-Aydin, en forskningsassistent i Goldmans laboratorium. Ozkan-Aydin använde maskar som hon ursprungligen beställde från ett akvarieförsäljningsföretag i Kalifornien-och nu höjer i Georgia Tech-laboratorier-genomgick maskarna genom flera experiment. De inkluderade utvecklingen av ett "maskgymnasium" som gjorde att hon kunde mäta styrkan hos enskilda maskar, kunskap som är viktig för att förstå hur ett litet antal varelser kan röra en hel klump.

Hon började med att ta vattenmaskarna ur vattnet och titta på deras beteende. Först, de började individuellt leta efter vatten. När den sökningen misslyckades, de bildade en bollformad klump där individer turades om den yttre ytan som utsattes för luften där avdunstning ägde rum-beteende som hon teoretiserade skulle minska avdunstningens effekt på kollektivet. Genom att studera klumparna, hon lärde sig att maskar i en klump kunde överleva ur vattnet 10 gånger längre än enskilda maskar kunde.

"De skulle säkert vilja minska uttorkning, men hur de skulle göra detta är inte självklart och pekar på en slags kollektiv intelligens i systemet, "sa Goldman." De är inte bara ytminimeringsmaskiner. De försöker utnyttja goda förutsättningar och resurser. "

Använda klumpar för att slippa hot

Ozkan-Aydin studerade också hur maskklumpar reagerade på både temperaturgradienter och intensivt ljus. Maskarna behöver ett specifikt temperaturintervall för att överleva och ogilla intensivt ljus. När en kloss placerades på en uppvärmd tallrik, den rörde sig långsamt bort från den varmare delen av plattan till den kallare delen och under intensivt ljus bildades tätt intrasslade klumpar. Maskarna verkade dela ansvaret för rörelsen, med vissa individer som drar i klumpen medan andra hjälpte till att lyfta aggregeringen för att minska friktionen.

Som med avdunstning, den kollektiva verksamheten förbättrar chansen att överleva för hela gruppen, som kan sträcka sig från 10 maskar upp till så många som 50, 000.

"För en enskild mask som går från varm till kall, överlevnad beror på slumpen, "sa Bhamla." När de rör sig som en klump, de rör sig långsammare eftersom de måste samordna mekaniken. Men om de rör sig som en klump, 95% av dem kommer till den kalla sidan, så att vara en del av klumpen ger många överlevnadsfördelar. "

En maskgymnasium

Forskarna noterade att endast två eller tre "avdragare" maskar behövdes för att dra en 15-masksklump. Det fick dem att undra hur starka varelserna var, så Ozkan-Aydin skapade en rad stolpar och fribärande där hon kunde mäta krafterna som utövas av enskilda maskar. Detta "maskgymnasium" gjorde det möjligt för henne att uppskatta hur dragarna lyckades göra sina jobb.

"När maskarna är glada och svala, de sträcker ut sig och tar tag i en av stolparna med huvudet och de drar på den, "Sa Bhamla." När de drar, du kan se böjningen av den fribärning som deras svansar var fästa på. Yasemin kunde använda kända vikter för att kalibrera krafterna som maskarna skapar. Kraftmätningen visar att de enskilda maskarna packar mycket kraft. "

Vissa maskar var starkare än andra, och när temperaturen ökade, deras vilja att träna på gymmet minskade.

Tillämpa maskprinciper på robotar

Ozkan-Aydin tillämpade också principerna som observerades i maskarna på små robotklumpar bestående av "smarta aktiva partiklar, "sex 3D-tryckta robotar med två armar och två sensorer som tillåter dem att känna ljus. Hon lade till ett näthölje och stift på armar som gjorde att dessa" smartiklar "kunde trassla ihop sig som maskarna och testade en mängd olika gångarter och rörelser som kan programmeras in i dem.

"Beroende på intensiteten, robotarna försöker röra sig bort från ljuset, "Ozkan-Aydin sa." De genererar framväxande beteende som liknar det vi såg i maskarna. "

Hon noterade att det inte fanns någon kommunikation mellan robotarna. "Varje robot gör sin egen sak på ett decentraliserat sätt, "sa hon." Med hjälp av bara den mekaniska interaktionen och attraktionen varje robot hade för ljusintensitet, vi kunde styra robotklumpen. "

Genom att mäta energiförbrukningen för en enskild robot när den utförde olika gångarter (wiggle and crawl), hon bestämde att wiggle -gången använder mindre kraft än crawl -gången. Forskarna räknar med att genom att utnyttja gångdifferentiering, framtida intrasslade robotvärmar kan förbättra deras energieffektivitet.

Utöka vad robotsvärmar kan göra

Forskarna hoppas kunna fortsätta sin studie av maskklubbornas kollektiva dynamik och tillämpa det de lär sig för att svärma robotar, som måste arbeta tillsammans med lite kommunikation för att utföra uppgifter som de inte kunde göra ensamma. Men dessa system måste kunna fungera i den verkliga världen.

"Ofta vill människor få robotsvärmar att göra specifika saker, men de tenderar att fungera i orörda miljöer med enkla situationer, "sa Goldman." Med dessa klumpar, hela poängen är att de fungerar bara på grund av fysisk interaktion mellan individerna. Det är en intressant faktor att ta med i robotik. "

Bland utmaningarna framöver är att rekrytera doktorander som är villiga att arbeta med maskblaskarna, som har konsistensen av bröddeg.

"Maskarna är väldigt trevliga att arbeta med, "sa Ozkan-Aydin." Vi kan leka med dem och de är mycket vänliga. Men det krävs en person som är väldigt bekväm att arbeta med levande system. "

Projektet visar hur den biologiska världen kan ge insikter som är fördelaktiga för området robotik, sa Kathryn Dickson, programdirektör för programmet för fysiologiska mekanismer och biomekanik vid National Science Foundation.

"Denna upptäckt visar att observationer av djurens beteende i naturliga miljöer, tillsammans med biologiska experiment och modellering, kan erbjuda nya insikter, och hur ny kunskap från tvärvetenskaplig forskning kan hjälpa människor, till exempel, i applikationerna för robotstyrning som härrör från detta arbete, " Hon sa.