Это правильные пчелы: механическая адаптация к динамическому воздействию
Разработка искусственных нейронных сетей нацелена на воссоздание своего рода искусственного мозга. Все нейроны связаны друг с другом, передают сигналы друг другу и зависят друг от друга. Чем их больше, тем сложнее и развитие будет сеть. Сегодня мы обратим внимание не на искусственные сети, а на те, что мы можем наблюдать в природе, ибо многое в технологиях человека позаимствовано именно от-туда. Но что можно сравнить с мозгом человека или с искусственной нейронной сетью? Ответ нестандартный — рой пчел. По отдельности пчелы не так интересны ученым, как в рое. Все мы знаем насколько слаженно и эффективно работает рой на благо улья. Каждая пчела выполняет определенную задачу, не мешая другим, а дополняя собой общий механизм улья, работающий безостановочно. Сегодня мы будем разбираться в необычном исследовании, пытающемся пояснить как рой пчел справляется с опасностями внешней среды и как индивидуальные особи в таких ситуациях взаимодействуют. Какую опасность ученые преподнесли бедным пчела, как они с ней справились и что это может значить для человека и науки? Ответы будем искать в докладе. Поехали.
Основа исследования
На первый взгляд подобное исследование кажется немного глупым, ибо по сути это ответ на вопрос «что будет, если тыкать палкой в улей?». Ну, во-первых, этого делать не стоит, так как пчелы весьма обидчивые создания (и жалящие). Во-вторых, любое живое существо, как любое устройство, работает по определенному алгоритму. В случае пчел этот алгоритм общий для всего роя. С точки зрения математики, программирования и даже механики пчелы очень интересны. Посему не будем раздувать свой скептицизм и позволим любопытству взять верх.
Пчела в движении
Главными героями исследования стали пчелы Apis mellifera (или просто «европейские медоносные»), которые создают ульи, свисающие с веток деревьев и состоящие по большей степени из самих пчел. Постройка, скажем прямо, сомнительная, учитывая погодные изменения, природных врагов и т.д. Однако такие ульи могут просуществовать весьма успешно долгое время. Возникает вопрос — как? Ответ кроется в коллективизме. Исследователи приводят в пример некоторые виды муравьев, которые присоединяются друг к другу, создавая плоты для перемещения по водной поверхности. Такие виды живых организмов как пчелы, термиты или муравьи относятся к суперорганизмам, то есть организмам состоящим из множества организмов. Это сравнимо с детальками лего: одна деталь ничего из себя не представляет, но соедините их в кластер и вы получите звезду смерти на 3803 детали.
Однако в таких биологических системах принцип «чем больше, тем лучше» не работает, поскольку перенаселение в неблагоприятных условиях может привести к хаосу и, как следствие, к гибели всей колонии. Медоносные пчелы расширяют свою колонию буквально колонизируя соседние ветки дерева. Группа пчел во главе с королевой перемещаются от материнского улья к новому месту, где формируют улей-сателлит, численность которого может достигать 10000 особей. В старом же улье появляется новая королева-матка. Это еще раз показывает нам насколько слажен улей, как система из множества рабочих единиц.
Вернемся к нашим медоносным пчелам-трансформерам. Ученые говорят, что многое известно о том, как они формируют такие необычные ульи во время переселения, но мало что известно об устойчивости таких «построек» по отношению к динамическому воздействию.
Изображение №1
На снимках 1а показаны вариации формы пчелиного кластера (роя-улья) во время роения (создания новой колонии), который как правило выглядит как перевернутый конус (1b).
Температурные изменения для этих пчел не проблема. Они регулируют плотность роя и его площадь, дабы сохранять стабильную температуру в его центре, где обитает королева. Если же температура окружающей среды повышается, к примеру летом, рой расширяется, формируя некие канавки, способствующие циркуляции воздуха. В случае дождя пчелы на внешней стороне кластера формируют «щит», за счет чего влага просто стекает.
Эти способности пчел известны, но остается не до конца ясно как они сохраняют стабильность кластера в случае динамического воздействия. Разрушение кластера может стать причиной гибели чуть ли не всего роя. Именно это и будут исследовать ученые.
Подготовка к эксперименту
Для проведения эксперимента было подготовлено помещение, на доске под потолком которого была размещена королева-матка. Пчелы были выпущены в помещение и начали формировать кластер, процесс чего показан на снимках 1с.
К доске прикреплен небольшой мотор, способный двигать ее горизонтально и вертикально с разной частотой (от 0.5 до 5 Гц) и разным ускорением свободного падения (от 0 до 0.1 g).
Внешний вид установки для эксперимента: А — горизонтальные движения, В — вертикальные.
Механическое воздействие на улей: А — непрерывное сотрясение кластера, когда частота стабильна, а ускорение изменяется; В — прерывистое сотрясение кластера, когда ускорение стабильно, а частота изменяется; С — однократное сотрясение.
Включив режим горизонтального встряхивания, кластер начинает раскачиваться, как маятник, с частотой примерно 1 Гц. Но уже спустя несколько минут пчелы адаптируются к динамическому режиму и меняют форму кластера на более плоскую, при этом число особей остается тем же, что и перед началом теста.
Кластер во время горизонтального сотрясения: изменение формы
По завершению теста пчелы восстанавливают первоначальную форму кластера в течение 30–120 минут. Стоит отметить, что процесс восстановления происходит гораздо дольше, чем процесс формирования «аварийной» формы.
Анализ данных постоянного и прерывистого сотрясения показал, что реакция на постоянное происходит гораздо раньше. При прерывистом пчелы начинают перестраивать кластер только спустя несколько толчков.
Изображение №2
График 2а является показателем изменения площади кластера на основании как функция времени (A (t)/A (0), где A (t) — площадь после теста, A (0) — до теста). Цвета линий соответствуют разным частотам периодических толчков.
Соседний график (2b) демонстрирует изменения уже при постоянном сотрясении кластера. Тут мы можем заметить, что при крайне низком ускорении (порядка 0.01 g) кластер никак не реагирует, что наталкивает на мысли о существовании некоего порога активности. Если динамика не достигает этого порога, пчелы не воспринимают ее как опасность и не начинают перестраивать кластер в более стабильную форму. 2с это система координат кластера и отдельных особей.
Исследователи рассчитали формулу, которая поможет математически представить процесс передвижения каждой пчелы во время динамического воздействия на улей. Это необходимо для понимания разницы в реакции кластера на постоянные и прерывистые толчки (2d).
Проанализировав траектории движения пчел, ученые заметили, что относительное смещение между пчелами на верхушке кластера и пчелами у основания значительно больше в случае, когда он удлинен, то есть до теста. Съемка подтвердила, что механическая адаптация роя позволяет нивелировать локальные деформации кластера (нормальную деформацию и смещение) при переходе в плоское состояние, то есть во время и после теста.
В момент возникновения толчков пчелы начинают передвигаться к основанию улья, что получилось определить посредством отслеживания отдельных особей (2е).
Движение отдельных особей к основанию кластера.
Это наблюдение подтверждает причину такого поведения — ощущение деформации. Точнее говоря, пчела ощущает, что между ней и соседней особью появился разрыв, которого быть не должно. Это провоцирует ее двигаться к основанию, дабы укрепить улей. Почему именно к основанию? Кластер пчел можно представить в виде схемы (2f), на которой светло-красные участки это зоны с наибольшей нагрузкой, а темные — с наименьшей. Пчелы знают, в каком участке улья нагрузка на его структуру самая большая, соответственно нужно двигаться туда, чтобы укрепить эту зону.
Поняв вышеописанный принцип поведения пчел, ученые задают новый вопрос — какой должно быть относительное смещение, чтобы пчела отреагировала?
Первым делом исследователи напоминают, что основные динамические характеристики подвесного гибкого конуса схожи с маятником при движении из стороны в сторону, а при движении вниз-вверх с пружиной.
На изображении выше показана модель кластера, в которой каждая отдельная пчела представлена в виде сферического тела, на которое воздействует три силы: сила гравитации, сила притяжения между соседними телами и сила предотвращения проникновения одного тела в другое.
Математическая модель позволила выявить интересный факт — максимальная амплитуда локальных нагрузок увеличивается, когда кластер становится вытянутым. Таким образом именно эти нагрузки служат сигналом для пчел.
Демонстрация смещения кластера во время компьютерной симуляции.
Изображение №3: компьютерная модель.
Как видно из симуляции 3а, нормальная деформация (должна быть равной 0) во время горизонтальных колебаний увеличивается именно у основания. 3b показывает изменения сдвига во время горизонтального колебания. Тут мы видим, что подобный тип деформации не так значителен. График 3с показывает изменения нормальной деформации и сдвига в контексте смещения улья от изначального положения.
Каждая сфера в математической компьютерной модели это отдельная пчела, как уже было сказано ранее. Им было имплементировано поведенческое правило — двигаться к участкам, где нагрузка начинает увеличиваться выше критического уровня. В результате модель показала то, что можно было понаблюдать вживую с пчелами (3d). Графики на 3е показывают как изменялась площадь улья у основания и долю пчел, которые к нему двигались (соответствует графику 2е).
Изображение №4: вертикальные колебания.
Во время эксперимента с вертикальным раскачиванием улья ускорение было не более 0.05 g. В результате наблюдаемые смещения были весьма незначительны. Это видно по снимкам на 4а, где в течение 30 минут форма улья не изменилась.
Однако при увеличении ускорения свободного падения до 0.1 g кластер разрушился. Суть в том, что во время таких колебаний нагрузка у основания улья меняется недостаточно, чтобы спровоцировать пчел к перемещению. На видео ниже видно, что форма кластера практически не меняется во время тряски. А при достижении критического уровня ускорения улей просто рушится. Один из факторов поражения пчел это время, которого им не хватило, чтобы среагировать на уже критический уровень нагрузки на улей.
Разрушение кластера во время теста с вертикальными колебаниями.
Выводы исследователей
В независимости от частоты или ускорения пчелы меняют форму кластера, делая его более устойчивым. Выглядит это как очень скоординированная работа, однако команды из единого источника пчелы не получают, а действуют абсолютно самостоятельно, хоть и в едином русле. Основным двигателем их действий является умение ощущать локальные деформации структуры улья. Когда эти деформации достигают критического уровня, пчелы укрепляют кластер. Это подтверждено тестом с постоянными и прерывистыми толчками. И тем, что пчелы никак не будут реагировать на колебания с ускорением менее 0.01 g.
Если же кластер сотрясать вертикально, возникает иная ситуация. Пчелы не будут реагировать на деформации, поскольку нагрузка у основания не будет превышать допустимую норму.
Исследователи, не смотря на это, остались довольны результатами своей работы. Их труд помог понять принцип механической адаптации. По их словам, устройства, созданные человеком уступают в этом вопросе пчелам. Во-первых, пчела, как отдельная деталь механизма (улья), реагирует на угрозу самостоятельно, не требуя команд из «центра». В результате все пчелы одновременно начинают перестраивать улей таким образом, чтобы он мог выдержать разрушительное влияние внешних факторов. Имплементация подобного поведения как алгоритма в системы, создаваемые человеком, сильно упростили бы борьбу с природой, которая довольно часто показывает свой характер, разрушая строения и технику.
Детали исследования доступны в докладе ученых и в дополнительных материалах к нему.
Эпилог
Нет ничего удивительного в поиске вдохновения или идей для современных технологий в природе. Многие изобретения так или иначе начинались с вопроса «а как повторить то, что есть от природы у насекомых, рыб, птиц и т.д.». Путь этот сложный и долгий. Когда-то, взглянув на небо, человек захотел летать, как птица, и создал крылья. Правда первые попытки закончились печально для этих энтузиастов. Но посмотрите, что мы имеем сейчас — огромные самолеты, перевозящие сотни человек за раз через океаны. А ведь первому мечтающему о полетах тоже говорили, что его идеи это глупости. Посему даже изучение адаптации пчел к динамическому воздействию, как бы странно не звучало, рано или поздно найдет свое практическое применение в технологиях будущего. Возможно это исследование в сопряжении с нанотехнологиями позволит создать материал, способный рекомбинироваться во время землетрясений. Кто знает. В любом случае, здоровое любопытство и желание понять как устроен мир вокруг тебя это здорово.
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5–2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
VPS (KVM) E5–2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps до декабря бесплатно при оплате на срок от полугода, заказать можно тут.
Dell R730xd в 2 раза дешевле? Только у нас 2 х Intel Dodeca-Core Xeon E5–2650v4 128GB DDR4 6×480GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $249 в Нидерландах и США! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5–2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
