Para formigas e robôs que operam em espaços confinados como túneis, ter mais trabalhadores não significa necessariamente fazer mais trabalho. Assim como muitos cozinheiros em uma cozinha se atrapalham, ter muitos robôs em túneis cria obstruções que podem interromper o trabalho.

Um estudo publicado em 17 de agosto na revista Ciência mostra que em colônias de formigas de fogo, um pequeno número de trabalhadores faz a maior parte da escavação, deixando as outras formigas com uma aparência um pouco menos do que trabalhador. Para cavar túneis de ninho, essa abordagem menos ocupada realiza o trabalho sem engarrafamentos de formigas, garantindo um fluxo de escavação suave. Os pesquisadores descobriram que a aplicação da estratégia de otimização de formigas a robôs autônomos evita obstruções mecanizadas e realiza o trabalho com o mínimo de energia.

Otimizar a atividade de robôs subterrâneos autônomos pode ser útil para tarefas como recuperação de desastres, minerando ou mesmo cavando abrigos subterrâneos para futuros exploradores planetários. A pesquisa foi apoiada pelo programa Physics of Living Systems da National Science Foundation, o Gabinete de Pesquisa do Exército e o Professor da Família Dunn.

“Percebemos que se você tiver 150 formigas em um recipiente, apenas 10 ou 15 deles estarão realmente cavando nos túneis a qualquer momento, "disse Daniel Goldman, professor da Escola de Física do Instituto de Tecnologia da Geórgia. "Queríamos saber por quê, e entender como as leis básicas da física podem funcionar. Encontramos um funcional, benefício da comunidade a esta aparente desigualdade no ambiente de trabalho. Sem isso, cavar simplesmente não é feito. "

Ao monitorar as atividades de 30 formigas que foram pintadas para identificar cada indivíduo, Goldman e colegas, incluindo a ex-bolsista de pós-doutorado Daria Monaenkova e Ph.D. estudante Bahnisikha Dutta, descobriram que apenas 30% das formigas estavam fazendo 70% do trabalho - uma desigualdade que parece manter o trabalho em andamento. Contudo, isso aparentemente não é porque as formigas mais ocupadas são as mais qualificadas. Quando os pesquisadores removeram as cinco formigas mais trabalhadoras do recipiente do formigueiro, eles não viram nenhum declínio de produtividade enquanto os 25 restantes continuaram a cavar.

Ter um ninho é essencial para formigas de fogo, e se uma colônia for deslocada - por uma enchente, por exemplo - a primeira coisa que as formigas farão ao chegar à terra firme é começar a cavar. Seus túneis são estreitos, mal largo o suficiente para duas formigas passarem, um recurso de projeto que a hipótese de dar vantagens de locomoção nos túneis verticais em desenvolvimento. Ainda, as formigas sabem como evitar a criação de tamancos recuando dos túneis já ocupados por outras operárias - e às vezes não fazendo muita coisa.

Para evitar obstruções e maximizar a escavação na ausência de um líder, robôs construídos pelo aluno de mestrado de Goldman, Vadim Linevich, foram programados para capturar aspectos das formigas que vagam e recuam. Os pesquisadores descobriram que até três robôs poderiam trabalhar efetivamente em um estreito túnel horizontal cavando bolas magnéticas de plástico impressas em 3D que simulavam solo pegajoso. Se um quarto robô entrou no túnel, Contudo, isso produziu uma obstrução que interrompeu totalmente o trabalho.

"Quando colocamos quatro robôs em um ambiente confinado e tentamos fazer com que cavassem, eles imediatamente travaram, "disse Goldman, quem é o Dunn Family Professor na Escola de Física. “Enquanto observava as formigas, ficamos surpresos ao ver que os indivíduos às vezes iam para o túnel e se encontravam mesmo uma pequena quantidade de entupimento, eles simplesmente se virariam e se retirariam. Quando combinamos essas regras com os robôs, que criou uma boa estratégia para escavar rapidamente com baixo consumo de energia por robô. "

Experimentalmente, a equipe de pesquisa testou três comportamentos potenciais para os robôs, que eles denominaram "ansiosos, "reversão" ou "preguiçoso". Usando a estratégia ansiosa, todos os quatro robôs mergulharam no trabalho - e rapidamente travaram. No comportamento reverso, os robôs desistiram e deram meia-volta quando encontraram atrasos para chegar ao local de trabalho. Na estratégia preguiçosa, vadiagem foi encorajada.

"Eager é a melhor estratégia se você tiver apenas três robôs, mas se você adicionar um quarto, esse comportamento diminui porque eles se atrapalham, "disse Goldman." A reversão produz uma escavação relativamente sã e sensata. Não é a estratégia mais rápida, mas não há congestionamentos. Se você olhar para a energia consumida, preguiçoso é o melhor curso. "Técnicas de análise baseadas em fluidos vítreos e super-resfriados, liderado pelo ex-Ph.D. estudante Jeffrey Aguilar, deu uma visão sobre como as diferentes estratégias mitigaram e evitaram aglomerados de formação de obstruções.

Para entender o que estava acontecendo e experimentar os parâmetros, Goldman e colegas, incluindo Will Savoie, um Georgia Tech Ph.D. aluna, O assistente de pesquisa Hui-Shun Kuan e a professora Meredith Betterton da Escola de Física da Universidade do Colorado em Boulder - usaram modelagem de computador conhecida como autômato celular que tem semelhanças com a maneira como os engenheiros de tráfego modelam o movimento de carros e caminhões em uma rodovia.

"Em rodovias, poucos carros não fornecem muito fluxo, enquanto muitos carros criam um congestionamento, "Goldman disse." Há um nível intermediário onde as coisas são melhores, e isso é chamado de diagrama fundamental. De nossa modelagem, aprendemos que as formigas estão trabalhando bem no topo do diagrama. A combinação certa de distribuições de trabalho desiguais e comportamentos de reversão tem a vantagem de mantê-los em movimento com eficiência máxima sem travamentos. "

Os pesquisadores usaram robôs projetados e construídos para a pesquisa, mas eles não eram páreo para as capacidades das formigas. As formigas são flexíveis e robustas, capazes de se espremerem em limites que fariam com que os robôs inflexíveis emperrassem. Em alguns casos, os robôs no laboratório de Goldman até mesmo danificaram uns aos outros enquanto se posicionavam para cavar.

Os resultados da pesquisa podem ser úteis para a exploração espacial, onde túneis podem ser necessários para proteger rapidamente os humanos da aproximação de tempestades de poeira ou outras ameaças. "Se você fosse um enxame de robôs em Marte e precisasse cavar fundo com pressa para fugir das tempestades de poeira, esta estratégia pode ajudar a fornecer abrigo sem ter informações perfeitas sobre o que todos estavam fazendo, "Goldman explicou.

Além das aplicações potenciais de robótica, o trabalho fornece insights sobre as complexas habilidades sociais das formigas e contribui para a compreensão da matéria ativa.

"As formigas que vivem em ambientes subterrâneos complexos precisam desenvolver regras sociais sofisticadas para evitar as coisas ruins que podem acontecer quando você tem muitos indivíduos em um ambiente lotado, "Goldman disse." Também estamos contribuindo para a compreensão da física da matéria ativa orientada para tarefas, colocar mais conhecimento experimental em fenômenos como enxames. "