Onderzoekers gebruikten miniatuurrobots om na te bootsen hoe echte mieren hun eigen netwerken manoeuvreren. Credit: Simon Garnier, et al
Voor mieren zijn de met feromonen beladen foerageerpaden die ze achterlaten als levenslijnen: ze leiden de arbeiders naar eerder ontdekte voedselknooppunten en helpen hen terug naar hun nest te begeleiden.
Deze netwerken van paden kunnen zich over honderden voeten uitstrekken, een hele prestatie gezien het feit dat veel werkmieren minder dan de helft zijn een inch in lengte. Eén type oogstmier kan een reeks paden (PDF) afleggen die zich 82 voet van de ingang van zijn nest uitstrekken. De sporen van een houten mier, een insect van slechts vijf millimeter (dat is een vijfde van een inch), bereiken 656 voet, elk vertakt zich in meer paden op maximaal 10 plekken op elk pad. De mier van de leafcutter kan een netwerk bouwen dat zich bijna 2, 5 hectare verspreidt.
Mierensoorten zoals deze hebben de neiging om de kortste weg te nemen tussen het nest van hun kolonie en een voedselbron, waarbij ze takken volgen die zo min mogelijk afdwalen van de richting waarin ze hun reis begonnen. De vorken in hun netwerk van paden, bekend als bifurcaties, zijn niet symmetrisch en vertakken zich niet in hoeken van dezelfde grootte. Maar gebruiken mieren een verfijnd gevoel voor geometrie om hun pad te volgen, waarbij ze de hoeken van de wegen meten voordat ze er een kiezen?
Voor meer informatie gebruikten onderzoekers van het New Jersey Institute of Technology (NJIT) en het Research Centre on Animal Cognition in Frankrijk miniatuurrobots om het gedrag van een kolonie Argentijnse mieren in beweging te repliceren, vandaag gemeld in het tijdschrift PLOS Computational Biology . Deze mierensoort heeft een extreem slecht gezichtsvermogen en schiet met hoge snelheden rond, maar kan toch manoeuvreer door gang na gang, van thuis naar voedsel en vice versa.
Als er geen obstakels zijn, lopen mieren het liefst in een rechte lijn zonder van hun koers af te wijken. Mensen zijn ook zo: als we door een straat naar een restaurant liepen dat aan dezelfde kant van de weg ligt als wij, zouden we niet overgaan op het tegenoverliggende trottoir tenzij er iets onze weg blokkeert. Om dit gevoel van obstakelvermijding in de robots te doordringen, hebben onderzoekers ze geprogrammeerd om obstakels te vermijden en lichte paden te volgen, die de onderzoekers gebruikten als vervanging voor met feromonen gecoate paden.
Een 'Alice', een kleine robot van twee centimeter (iets minder dan een inch), die een lichtspoor volgt met behulp van twee fotoreceptoren . Credit: Simon Garnier, et al
De 10 kleine robots in dit onderzoek, Alices genaamd, kregen vervolgens de opdracht om door een doolhofachtige omgeving te navigeren die ongeveer 60 tot 70 keer zo groot was, van een startpunt dat een nestingang voorstelt tot een eindpunt dat een voedselbron aangeeft. Twee fotoreceptoren, die antennes nabootsen, detecteerden lichtstralen. Terwijl de robots door het doolhof reisden, introduceerden onderzoekers een sleutel in de plannen van de kleine machines - op willekeurige punten in hun reis werden de robots geactiveerd om te draaien, een mechanisme bedoeld om de meanderende gangen van mieren na te bootsen terwijl ze langs hun paden kruipen . Deze willekeurige bochten roteerden onder hoeken van niet meer dan 30 graden, aangezien echte mieren niet erg efficiënt zijn in het fysiek maken van U-bochten .
In de onderstaande versnelde video testten de onderzoekers de navigatievaardigheden van de Alices in een complex netwerk, waarbij ze de opdracht kregen om de kortste route tussen hun "nest" (aan de rechterkant) en een "voedselbron (links) te kiezen. Variërende lichtstralen geprojecteerd op het doolhof veranderden de bewegingen van de robots in het netwerk terwijl hun fotoreceptoren in actie kwamen.
De onderzoekers ontdekten dat, zonder enige kennis van de geometrie van het doolhof, de robotmieren zich precies gedroegen als echte mieren: ze maakten kleine willekeurige bochten, maar bewogen in dezelfde algemene richting. Toen ze bij een splitsing op de weg kwamen, moesten de robots het pad kiezen dat het minst van hun oorspronkelijke traject was afgeweken , hoewel ze niet waren uitgerust om hoeken te meten. Toen ze een lichtspoor ontdekten, keerden ze zich om dat pad te volgen.
De onderzoekers zeggen dat dit betekent dat Argentijnse mieren mogelijk geen complexe cognitieve processen hoeven te gebruiken om de geometrie van verschillende sporen te berekenen. Maar het nemen van de vork in de weg die naar de kortste route naar voedsel leidt, verhoogt het foerageersucces voor een hele kolonie enorm. Dus het gebruik van feromonen met een intuïtieve ruimtelijke kennis van waar voedsel kan zijn, houdt mieren op het juiste spoor; naarmate meer mieren het pad naar voedsel volgen, worden feromonen meer geconcentreerd langs het pad, wat verder helpt om mieren te begeleiden die nog moeten reizen. In feite verdrievoudigt de navigatiemethode voor het kiezen van de juiste vork op de weg de hoeveelheid voedselmieren die ze terugbrengen naar hun nest dan wanneer ze alleen op feromonen vertrouwden, zegt hoofdauteur Simon Garnier, professor biologie aan NJIT.
"Als je alleen de feromonen hebt en deze truc niet hebt, ben je minder efficiënt omdat je meer kans hebt om de mieren in lussen te krijgen", zegt Garnier, die het Swarm Lab van het instituut runt, dat insectengroep bestudeert gedrag. "Dus ze zullen hun pad rond de lus versterken, en ze zullen gewoon vast komen te zitten in deze lus en voor altijd draaien en draaien."
Een dergelijke navigatie kan ook helpen mieren door ondergrondse paden te leiden die verschillende delen van hun nesten verbinden. Door deze natuurlijke navigatiehulpmiddelen te repliceren, kunnen onderzoekers de interne werking van collectief diergedrag beter begrijpen.
