Строительные навыки муравьев могут помочь создателям горной техники
Жилища муравьев могут находиться на глубине нескольких метров под землей, служить приютом для миллионов насекомых и существовать десятилетиями, несмотря на то, что они созданы без использования оборудования и армирующих материалов, рассказывает 23 августа американский еженедельник Proceedings of the National Academy of Sciences.
Секреты этих впечатляющих архитектурных сооружений, которые могут пригодиться для разработки роботизированных горных машин, раскрыли Хосе Андраде и его коллеги из Калифорнийского технологического института с помощью трехмерной рентгеновской визуализации и компьютерного моделирования.
Ученые поместили в контейнер, содержащий 500 миллилитров почвы, 15 американских муравьев-жнецов (Pogonomyrmex occidentalis). Положение каждого муравья и каждой песчинки почвы затем фиксировалось рентгеновскими снимками с высоким разрешением каждые 10 минут в течение 20 часов.
Результаты рентгенографии дали исследователям точные сведения о форме каждого туннеля и о том, какие крупинки почвы удалялись для его создания. Затем команда создала компьютерную модель, используя эти снимки, чтобы понять силы, действующие на туннели. Размер, форма и ориентация каждой крупинки были воссозданы в модели, и можно было рассчитать направление и величину силы, действующей на каждую из них, включая силу тяжести, трение и сцепление, вызванные влажностью. Модель была создана с точностью разрешения сканера в 0,07 миллиметра.
Результаты показывают, что по мере того, как муравьи копают тоннель, вокруг его оси в почве образуются «арки», которые имеют больший диаметр, чем сам туннель. Это уменьшает нагрузку, действующую на частицы почвы внутри арок, где насекомые строят свой туннель. В результате их легко удалить для расширения туннеля, не вызвав обвалов. Арки также делают туннель прочнее и долговечнее.
«Мы наивно думали, что муравьи, возможно, играли в Дженгу, что они цеплялись за крупицы с наименьшим сопротивлением», — говорит Андраде. Теперь же, по его словам, ясно, что, насекомые похоже, ничего не знают о действующих силах и не проявляют никаких признаков принятия решений, а вместо этого следуют очень простому поведенческому алгоритму, который эволюционировал с течением времени.
Муравьи, как правило, роют относительно прямые туннели, которые спускаются под углом естественного откоса — наклоном, при котором гранулированный материал естественным образом образует насыпи, — который в данном случае составлял около 40 градусов. Они также выбирают именно те зерна, которые нужно удалить, чтобы создать защитную арку сверху.
«Замечательным образом — довольно, знаете ли, удачным образом — они наткнулись на технику копания, которая соответствует законам физики, но невероятно эффективна», — говорит Андраде.
Ученые считают, что если поведенческий алгоритм можно будет дополнительно проанализировать и в конечном итоге воспроизвести, то он может найти применение при создании автоматизированных горных роботов для работы либо на Земле, либо на других планетах, где и без того рискованный бизнес добычи полезных ископаемых был бы еще более опасным для людей.
