Individualmente, Os vermes negros da Califórnia vivem uma vida normal, comendo microorganismos em lagoas e servindo como alimento para peixes tropicais para os entusiastas do aquário. Mas juntos, dezenas, centenas, ou milhares de criaturas com um centímetro de comprimento podem colaborar para formar uma "bolha de verme, "um líquido vivo que muda de forma que coletivamente protege seus membros contra o ressecamento e os ajuda a escapar de ameaças como o calor excessivo.

Enquanto outros organismos formam bandos coletivos, escolas, ou enxames para fins como acasalamento, predação, e proteção, os vermes Lumbriculus variegatus são incomuns em sua capacidade de se trançarem para realizar tarefas que indivíduos desconectados não conseguem. Um novo estudo relatado por pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Geórgia descreve como os vermes se auto-organizam para agir como "matéria ativa emaranhada", "criando comportamentos coletivos surpreendentes cujos princípios foram aplicados para ajudar blobs de robôs simples a desenvolver sua própria locomoção.

A pesquisa, apoiado pela National Science Foundation e pelo Army Research Office, foi relatado em 5 de fevereiro no jornal Proceedings of the National Academy of Sciences . As descobertas do trabalho podem ajudar os desenvolvedores de robôs de enxame a entender como o comportamento emergente de matéria ativa emaranhada pode produzir resultados inesperados, complexo, e comportamentos impulsionados mecanicamente potencialmente úteis.

Comportamento coletivo em vermes

A centelha para a pesquisa veio há vários anos na Califórnia, onde Saad Bhamla ficou intrigado com bolhas de vermes que viu em um lago de quintal.

"Estávamos curiosos para saber por que esses vermes formariam essas bolhas vivas, "disse Bhamla, professor assistente na Escola de Engenharia Química e Biomolecular da Georgia Tech. "Agora mostramos, por meio de modelos matemáticos e experimentos biológicos, que formar as bolhas confere um tipo de tomada de decisão coletiva que permite que os vermes em uma bolha maior sobrevivam por mais tempo contra a dessecação. Também mostramos que eles podem se mover juntos, um comportamento coletivo que não é feito por nenhum outro organismo que conhecemos em escala macro. "

Esse comportamento coletivo em sistemas vivos é de interesse para pesquisadores que exploram maneiras de aplicar os princípios dos sistemas vivos a sistemas projetados por humanos, como robôs de enxame, em que os indivíduos também devem trabalhar juntos para criar comportamentos complexos.

"O worm blob coletivo acabou tendo recursos que vão além do que os indivíduos têm, um exemplo maravilhoso de emergência biológica, "disse Daniel Goldman, um professor da família Dunn na Escola de Física da Georgia Tech, que estuda a física dos sistemas vivos.

Por que os vermes formam bolhas

O sistema worm blob foi estudado extensivamente por Yasemin Ozkan-Aydin, um associado de pesquisa no laboratório de Goldman. Usando feixes de vermes que ela encomendou originalmente de uma empresa fornecedora de aquários da Califórnia - e agora cria nos laboratórios da Georgia Tech - Ozkan-Aydin colocou os vermes em vários experimentos. Isso incluiu o desenvolvimento de um "ginásio de vermes" que lhe permitiu medir a força de vermes individuais, conhecimento importante para compreender como um pequeno número de criaturas pode mover uma bolha inteira.

Ela começou tirando os vermes aquáticos da água e observando seu comportamento. Primeiro, eles individualmente começaram a procurar por água. Quando essa pesquisa falhou, eles formaram uma bolha em forma de bola na qual os indivíduos se revezavam na superfície externa exposta ao ar onde a evaporação estava ocorrendo - o comportamento que ela teorizou reduziria o efeito da evaporação no coletivo. Ao estudar as bolhas, ela aprendeu que vermes em uma bolha podem sobreviver fora da água 10 vezes mais do que vermes individuais.

"Eles certamente gostariam de reduzir a dessecação, mas a maneira como fariam isso não é óbvia e aponta para um tipo de inteligência coletiva no sistema, "disse Goldman." Eles não são apenas máquinas de minimização de superfície. Eles estão procurando explorar boas condições e recursos. "

Usando blobs para escapar de ameaças

Ozkan-Aydin também estudou como as bolhas de vermes respondem aos gradientes de temperatura e à luz intensa. Os vermes precisam de uma faixa específica de temperaturas para sobreviver e não gostam de luz intensa. Quando uma bolha foi colocada em uma placa aquecida, moveu-se lentamente da parte mais quente do prato para a parte mais fria e, sob luz intensa, formou bolhas fortemente emaranhadas. Os vermes pareciam dividir as responsabilidades do movimento, com alguns indivíduos puxando a bolha, enquanto outros ajudaram a levantar a agregação para reduzir o atrito.

Tal como acontece com a evaporação, a atividade coletiva aumenta as chances de sobrevivência de todo o grupo, que pode variar de 10 worms a até 50, 000

"Para um verme individual indo do quente ao frio, a sobrevivência depende do acaso, "disse Bhamla." Quando eles se movem como uma bolha, eles se movem mais devagar porque precisam coordenar a mecânica. Mas se eles se moverem como uma bolha, 95% deles vão para o lado frio, portanto, fazer parte da bolha confere muitas vantagens de sobrevivência. "

Um ginásio de minhocas

Os pesquisadores notaram que apenas dois ou três vermes "puxadores" eram necessários para arrastar uma bolha de 15 vermes. Isso os levou a se perguntar o quão fortes as criaturas eram, então Ozkan-Aydin criou uma série de postes e cantiléveres nos quais ela podia medir as forças exercidas por vermes individuais. Este "ginásio de minhocas" permitiu que ela apreciasse como os puxadores conseguiam fazer seu trabalho.

"Quando os vermes estão felizes e frios, eles se esticam e agarram-se a um dos pólos com as cabeças e puxam-no, "Bhamla disse." Quando eles estão puxando, você pode ver a deflexão do cantilever ao qual suas caudas foram fixadas. Yasemin foi capaz de usar pesos conhecidos para calibrar as forças criadas pelos vermes. A medição da força mostra que os vermes individuais têm muita energia. "

Alguns vermes eram mais fortes do que outros, e conforme a temperatura aumentava, sua vontade de malhar na academia diminuiu.

Aplicando princípios de worm a robôs

Ozkan-Aydin também aplicou os princípios observados nos vermes a pequenas bolhas robóticas compostas de "partículas ativas inteligentes, "seis robôs impressos em 3-D com dois braços e dois sensores que lhes permitem sentir a luz. Ela adicionou um invólucro de malha e pinos aos braços que permitiam que esses" smarticles "se enredassem como os vermes e testou uma variedade de andamentos e movimentos que poderia ser programado neles.

"Dependendo da intensidade, os robôs tentam se afastar da luz, Ozkan-Aydin disse. "Eles geram um comportamento emergente semelhante ao que vimos nos vermes."

Ela notou que não havia comunicação entre os robôs. "Cada robô está fazendo suas próprias coisas de forma descentralizada, "disse ela." Usando apenas a interação mecânica e a atração que cada robô tinha pela intensidade da luz, poderíamos controlar o blob do robô. "

Ao medir o consumo de energia de um robô individual quando ele executou diferentes andadas (mexer e engatinhar), ela determinou que a marcha wiggle usa menos força do que a marcha lenta. Os pesquisadores prevêem que, ao explorar a diferenciação da marcha, futuros enxames robóticos emaranhados poderiam melhorar sua eficiência energética.

Expandindo o que enxames de robôs podem fazer

Os pesquisadores esperam continuar seu estudo da dinâmica coletiva das bolhas de vermes e aplicar o que aprenderam para enxamear robôs, que devem trabalhar juntos com pouca comunicação para realizar tarefas que eles não poderiam fazer sozinhos. Mas esses sistemas devem ser capazes de funcionar no mundo real.

"Muitas vezes as pessoas querem fazer com que os enxames de robôs façam coisas específicas, mas eles tendem a operar em ambientes intocados com situações simples, "disse Goldman." Com essas bolhas, a questão toda é que eles funcionam apenas por causa da interação física entre os indivíduos. Esse é um fator interessante para trazer para a robótica. "

Entre os desafios futuros estão o recrutamento de alunos de pós-graduação dispostos a trabalhar com as bolhas de vermes, que têm a consistência de massa de pão.

"É muito bom trabalhar com os vermes, "disse Ozkan-Aydin." Podemos jogar com eles e são muito amigáveis. Mas é preciso uma pessoa que se sinta muito confortável trabalhando com sistemas vivos. "

O projeto mostra como o mundo biológico pode fornecer percepções benéficas para o campo da robótica, disse Kathryn Dickson, diretor de programa do Programa de Mecanismos Fisiológicos e Biomecânica da National Science Foundation.

"Esta descoberta mostra que as observações do comportamento animal em ambientes naturais, junto com experimentos biológicos e modelagem, pode oferecer novos insights, e como o novo conhecimento obtido com a pesquisa interdisciplinar pode ajudar os humanos, por exemplo, nas aplicações de controle robótico decorrentes deste trabalho, " ela disse.