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Armeeameisen verhalten sich wie Algorithmen, um Lieferungen effizienter zu gestalten

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Armee-Ameisen in Mittel- und Südamerika suchen aggressiv den kürzesten Weg über den Waldboden, um genügend Nahrung nach Hause zu bringen und die Zukunft ihrer Kolonie zu sichern. Dieser Fokus auf Effizienz veranlasste die Insekten, einen cleveren Trick zu entwickeln: Sie verbinden ihre Körper miteinander, um Schlaglöcher zu füllen und lebende Brücken zu bauen.

Wenn sich mehr Ameisen anschließen, verschieben sich die Stellen der Brücken, um immer größere Lücken zu überspannen. Dadurch verkürzen sich die Wege, die Ameisen zum Nest zurückführen müssen. Aber da jeder Stein auf der Brücke auch ein verlorener Futtersucher ist, erreichen die Ameisen einen Punkt, an dem eine etwas bessere Verknüpfung die Kosten nicht mehr wert ist, so eine neue Analyse dieser Insekten-Bauarbeiten.

"Insgesamt wird dieser Kosten-Nutzen-Kompromiss erreicht, ohne dass es Ameisen wirklich merken", sagt Studienleiter Chris Reid von der University of Sydney.

Reids Studie, die diese Woche in PNAS erscheint, ist der bisher genaueste Blick auf die Architekturalgorithmen, die Ameisen beim Brückenbau verwenden. Das Verständnis dieser Regeln könnte Wissenschaftlern helfen, intelligentere Roboterschwärme zu entwerfen, indem sie beispielsweise selbstorganisierende Materialien programmieren, um dynamische Strukturen zu erzeugen, die so groß wie Rettungsflöße oder so klein wie chirurgische Stents sind.

Reids Team begab sich in den Dschungel von Panamas Barro Colorado Island, um zu sehen, wie ihre Untertanen in freier Wildbahn Ameisen jagen. Armee-Ameisen aus der Gattung Eciton, obwohl unersättliche kleine Mörder, sind umsichtig, wenn es um nachhaltige Jagd geht. Nach einem anstrengenden Tag, an dem sie Larven aus den Kolonien anderer Ameisen und Wespen plünderten, erheben sie sich und marschieren in ein paar hundert Fuß entferntes Neuland.

"Sie kommen am nächsten Tag zurück, wo Sie zuvor diese Ameisen gefunden hatten, und sie würden verschwunden sein", sagt Reid. Die einzige Möglichkeit, sie zuverlässig wiederzufinden, bestand darin, den laufenden Umzug zu verfolgen, was bedeutete, nachts in den Dschungel zu gehen.

"Das war also immer eine ziemlich lustige Erfahrung - Vogelspinnen überall, Gerüchte über Jaguare, die die Insel verfolgen, und alles Mögliche", sagt er.

Nachdem sie das neue Jagdrevier der Ameisen markiert hatten, kehrten die Forscher zum Lager zurück und kehrten am nächsten Tag zurück, um enge Säulen von Räubern zu finden, die sich auf spontanen Straßen zwischen dem provisorischen Ameisennest und den Nestern ihrer Opfer bewegten.

Die Ameisen navigieren mit Pheromonen, sodass das Team markierte Stöcke vom Weg nehmen und sie als Verkehrszeichen verwenden und den Verkehr in ihr Experiment umleiten konnte. Auf dem Waldboden legten sie weiße Bretter mit einem Haken in den Pfad, der wie ein offenes Dreieck geformt war.

In Panama zeichneten Forscher Ameisen auf, die lebende Brücken bauten, um den effizientesten Weg entlang des Waldbodens zu finden. (Christopher R. Reid, Matthew J. Lutz, Simon Garnier und das New Jersey Institute of Technology)

Als Reids Team die Aktion aufzeichnete, sah es, wie die Ameisen in Echtzeit Probleme lösten. Zuerst stolpert eine einzelne Ameise über die einteilige Lücke direkt unter dem Gauner und bleibt an Ort und Stelle. Dann legt eine andere Ameise, die über sie läuft, Pheromone auf den verkürzten Weg.

Bald frieren Ameisen, die die Abkürzung verwenden, ein, um Teil der Brücke zu werden, da sie sich durch häufigen Kontakt mit anderen Ameisen eher einschließen. Wenn die Brücke dicker wird, gehen reisende Ameisen lieber weiter vom Gauner weg, da dieser Weg leicht ist kürzer.

Der zunehmende Verkehr an der bevorzugten Kante lässt diese Seite der Brücke wachsen, wenn sich neue Mitarbeiter der Architektur anschließen. Gleichzeitig werden Arbeiter an der unpopulären Kante selten berührt und beginnen zu gehen. Mit der Zeit beginnt die ganze Brücke, sich von dem Gauner zu entfernen.

Aber jedes Mal, wenn sie die Ameisen aufzeichneten, sah Reids Team, dass die Brücke irgendwann mitten in der Lücke stehen blieb.

"Warum hören sie dann auf?", Sagt er. "Sie können sich vorstellen, dass der Prozess bis zum Ende fortgesetzt wird, bis sie diesen schönen geraden Pfad haben, der alle Lücken in ihrer Umgebung überwindet."

Die Strategie ist fiskalisch sinnvoll, wenn man auf die Kolonieebene hinauszoomt, denkt das Team. Eine Brücke kann Zeit sparen, aber jeder Arbeiter, der in einer Brücke gefangen ist, ist auch ein Arbeiter, der keine Lebensmittel zum Nest zurückbringt. Sobald zu viele Arbeiter von der Straße sind, ist die weitere Verbesserung einer Brücke eine Verschwendung wertvoller Ressourcen.

„Ich hätte nur erwartet, dass sie die Brücke bauen, die den kürzestmöglichen Weg darstellt“, sagt David Hu von Georgia Tech, der zuvor die lebenden Flöße untersucht hat, die Feuerameisen bei Überschwemmungen bauen. "Woher wissen sie, dass dies die beste Brücke für sie ist?"

Obwohl es immer noch unklar ist, ist Reids bevorzugte Erklärung, dass die Brücke nicht mehr verrutscht, wenn der Verkehrsrückgang für die lebende Struktur spürbar wird. Während die längere Brücke mehr Ameisen von der Straße saugt, werden die Berührungen, die eine Ameise dazu veranlassen, ihren Körper der Brücke zu spenden, seltener.

Während Hu diese Erklärung für zu grob hält, um das Rätsel zu lösen, betont er, dass dieses „schöne Experiment“ ein erster Schritt ist, um diese Art von Problemlösungsverhalten zu verstehen und es schließlich auf schwärmende Roboter anzuwenden.

"Wir haben nichts aus Robotik gebaut, das diese Kombination von wirklich schneller Bewegung und dem Werden von Baumaterial hat", sagt er. "Sie bewegen sich so schnell zwischen dem Zustand des Gehens und dem Zustand des Brückenbaus, dass sich dieses Ding nur zu verwandeln scheint."

In Zukunft plant die Gruppe von Reid, mit der Harvard-Informatikerin Radhika Nagpal zusammenzuarbeiten, die denkt, dass die Berechnung der Architektur, zu der Ameisen in der Lage sind, für kleine, entbehrliche Roboter bei gefährlichen Rettungseinsätzen nützlich ist. "Sie könnten sich zu größeren Strukturen zusammenfügen - Brücken, Türme, ziehende Ketten, Flöße", sagt sie.

Über solche technischen Anwendungen hinaus demonstrieren die Ameisen selbst die Kraft eines führerlosen, aber gut programmierten Schwarms.

"Sie sind mit Sicherheit ein Superorganismus", sagt Nagpal. "Ich sehe nicht, wie man etwas falsch machen kann, wenn man völlig fasziniert ist, wie eine so große Gruppe so schnell und ohne Politik und ohne Hierarchien von Managern und CEOs so viel bewirken kann."

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