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Sugar Cube-Sized Robotic Ants ahmen echtes Futtersuchverhalten nach

Robotic ants

Robotic ants

Die Forscher verwendeten Miniaturroboter, um nachzuahmen, wie echte Ameisen ihre eigenen Netzwerke manövrieren. Bildnachweis: Simon Garnier et al

Für Ameisen sind die Pheromon-beladenen Futtersuchpfade, die sie hinterlassen, wie Lebensadern: Sie leiten die Arbeiter zu den zuvor entdeckten Nahrungszentren und helfen ihnen, nach Hause zu ihrem Nest zurückzukehren.

Diese Wegenetze können sich über mehrere hundert Meter erstrecken, was angesichts der Tatsache, dass viele Arbeiterameisen weniger als die Hälfte ausmachen, durchaus eine Errungenschaft darstellt ein Zoll in der Länge. Eine Art von Mähdrescherameise kann eine Reihe von Pfaden (PDF) verlegen, die sich 82 Fuß vom Eingang ihres Nestes entfernt erstrecken. Die Spuren einer Waldameise, eines Insekts von nur fünf Millimetern (das ist ein Fünftel eines Zolls), erreichen 656 Fuß, von denen sich jede an bis zu zehn Stellen in mehrere Pfade verzweigt. Die Blattschneiderameise kann ein Netzwerk aufbauen, das sich über fast zweieinhalb Morgen ausbreitet.

Ameisenarten wie diese neigen dazu, den kürzesten Weg zwischen dem Nest ihrer Kolonie und einer Nahrungsquelle zu nehmen, indem sie Ästen folgen, die so wenig wie möglich von der Richtung abweichen, in die sie ihre Reise begonnen haben. Die als Gabelungen bezeichneten Gabeln in ihrem Wegenetz sind nicht symmetrisch und verzweigen sich nicht in gleich große Winkel. Aber verwenden Ameisen ein ausgeklügeltes Gespür für Geometrie, um ihren Weg zu verfolgen und die Winkel der Straßen zu messen, bevor sie einen auswählen?

Um mehr zu erfahren, verwendeten Forscher des New Jersey Institute of Technology (NJIT) und des Forschungszentrums für Tiererkennung in Frankreich Miniaturroboter, um das Verhalten einer Kolonie argentinischer Ameisen zu replizieren, die heute in der Fachzeitschrift PLOS Computational Biology berichtet . Diese Ameisenart hat ein extrem schlechtes Sehvermögen und schießt mit hoher Geschwindigkeit herum, kann sich jedoch durch Korridore von Korridor zu Korridor bewegen, von zu Hause zum Futter und umgekehrt.

Wenn es keine Hindernisse gibt, gehen Ameisen lieber in gerader Linie, ohne von ihrem Kurs abzuweichen. Die Leute sind auch so: Wenn wir eine Straße entlang zu einem Restaurant gehen würden, das sich auf derselben Straßenseite wie wir befindet, würden wir nicht auf den gegenüberliegenden Bürgersteig gehen, es sei denn, etwas würde uns den Weg versperren. Um dieses Gefühl der Hindernisvermeidung in die Roboter einzubringen, haben die Forscher sie so programmiert, dass sie Hindernissen ausweichen und leichten Pfaden folgen, die die Forscher als Ersatz für mit Pheromon beschichtete Pfade verwendeten.

Alice robot

Eine „Alice“, ein winziger Roboter, der zwei Zentimeter misst und mit zwei Fotorezeptoren einer Lichtspur folgt . Bildnachweis: Simon Garnier et al

Die 10 winzigen Roboter in dieser Studie, genannt Alices, wurden dann beauftragt, eine labyrinthartige Umgebung zu navigieren, die etwa 60- bis 70-mal so groß ist wie sie. Sie sollten von einem Startpunkt, der einen Nesteingang darstellt, bis zu einem Endpunkt fahren, der eine Nahrungsquelle darstellt. Zwei Photorezeptoren, die Ameisenantennen imitierten, detektierten Lichtstrahlen. Als die Roboter durch das Labyrinth fuhren, führten die Forscher einen Schraubenschlüssel in die Pläne der kleinen Maschinen ein - an zufälligen Punkten auf ihrer Reise wurden die Roboter zum Wenden angeregt, ein Mechanismus, der die mäandernden Gänge der Ameisen weiter imitieren sollte, während sie sich auf ihren Wegen fortbewegen . Diese zufälligen Drehungen drehten sich in Winkeln von nicht mehr als 30 Grad, da echte Ameisen nicht sehr effizient U-Turns ausführen können .

Im Video unten haben die Forscher die Navigationsfähigkeiten der Alices in einem komplexen Netzwerk getestet und sie damit beauftragt, den kürzesten Weg zwischen ihrem „Nest“ (rechts) und einer „Nahrungsquelle“ (links) zu wählen. Wechselnde Lichtstrahlen, die auf das Labyrinth projiziert wurden, veränderten die Bewegungen der Roboter im Netzwerk, als ihre Fotorezeptoren in Aktion traten.



Die Forscher stellten fest, dass sich die Roboterameisen ohne Kenntnis der Geometrie des Labyrinths genauso verhalten wie echte Ameisen: Sie machten kleine, zufällige Kurven, bewegten sich aber in die gleiche allgemeine Richtung. Als sie eine Weggabelung erreichten, wählten die Roboter den Weg, der am wenigsten von ihrer ursprünglichen Flugbahn abwich , obwohl sie nicht für die Messung von Winkeln ausgerüstet waren. Als sie eine Lichtspur entdeckten, wandten sie sich diesem Pfad zu.

Die Forscher sagen, dies bedeutet, dass argentinische Ameisen möglicherweise keine komplexen kognitiven Prozesse verwenden müssen, um die Geometrie verschiedener Pfade zu berechnen. Die Weggabelung, die zum kürzesten Weg zum Lebensmittel führt, steigert jedoch den Futtersucherfolg einer ganzen Kolonie erheblich. Durch die Verwendung von Pheromonen mit einem intuitiven räumlichen Wissen darüber, wo sich das Futter befindet, bleiben Ameisen auf dem richtigen Weg. Je mehr Ameisen dem Weg zum Futter folgen, desto konzentrierter werden die Pheromone auf dem Weg und helfen so den Ameisen, die noch nicht gereist sind. Tatsächlich verdreifacht die Navigationsmethode bei der Auswahl der richtigen Weggabelung die Menge an Futter, die Ameisen in ihr Nest zurückbringen, als wenn sie sich nur auf Pheromone verlassen würden, sagt Hauptautor Simon Garnier, Biologieprofessor am NJIT.

„Wenn Sie nur die Pheromone haben und diesen Trick nicht haben, sind Sie weniger effizient, weil die Ameisen mit größerer Wahrscheinlichkeit in Schleifen geraten“, sagt Garnier, der das Schwarmlabor des Instituts leitet, das Insektengruppen untersucht Verhalten. "Also werden sie ihren Weg um die Schleife verstärken, und sie werden einfach in dieser Schleife stecken bleiben und sich für immer drehen und wenden."

Eine solche Navigation kann auch dazu beitragen, Ameisen durch unterirdische Pfade zu führen, die verschiedene Teile ihrer Nester verbinden. Durch die Replikation dieser natürlichen Navigationsinstrumente können Forscher die Funktionsweise des kollektiven Verhaltens von Tieren besser verstehen.

Sugar Cube-Sized Robotic Ants ahmen echtes Futtersuchverhalten nach