ENG: Noah rode out his flood in an ark. Winnie-the-Pooh had an upside-down umbrella. Fire ants (Solenopsis invicta), meanwhile, form floating rafts made up of thousands or even hundreds of thousands of individual insects. A new study by engineers at CU Boulder lays out the simple physics-based rules that govern how these ant rafts morph over time: shrinking, expanding or growing long protrusions like an elephant’s trunk. The team’s findings could one day help researchers design robots that work together in swarms or next-generation materials in which molecules migrate to fix damaged spots.

In their latest study, Vernerey and lead author Robert Wagner drew on mathematical simulations, or models, to try to figure out the mechanics underlying these lifeboats. The team created a series of models that, essentially, turned an ant raft into a complicated game of checkers. The researchers programmed roughly 2,000 round particles, or “agents,” to stand in for the ants. These agents couldn’t make decisions for themselves, but they did follow a simple set of rules: the fake ants, for example, didn’t like bumping into their neighbors, and they tried to avoid falling into the water. When they let the game play out, Wagner and Vernerey found their simulated ant rafts behaved a lot like the real things. 

In particular, the team was able to tune how active the agents in their simulations were: were the individual ants slow and lazy, or did they walk around a lot? The more the ants walked, the more likely they were to form long extensions that stuck out from the raft—a bit like people funneling toward an exit in a crowded stadium. Wagner suspects fire ants use these extensions to feel around their environments, searching for logs or other bits of dry land.

RO: Noe a scăpat de potop într-o arcă. Winnie-the-Pooh avea o umbrelă cu susul în jos. Furnicile de foc (Solenopsis invicta) formează plute plutitoare alcătuite din mii sau chiar sute de mii de insecte individuale. Un nou studiu realizat de inginerii de la CU Boulder prezintă regulile simple, bazate pe fizică, care guvernează modul în care aceste plute de furnici se transformă în timp: se micșorează, se extind sau cresc proeminențe lungi precum trompa unui elefant. Descoperirile echipei ar putea ajuta într-o bună zi cercetătorii să proiecteze roboți care lucrează împreună în roiuri sau materiale în care moleculele migrează pentru a repara punctele deteriorate.

În ultimul lor studiu, Vernerey și autorul principal Robert Wagner s-au bazat pe simulări matematice, sau modele, pentru a încerca să înțeleagă mecanica care stă la baza acestor bărci de salvare. Echipa a creat o serie de modele care, în esență, au transformat o plută de furnici într-un joc complicat de dame. Cercetătorii au programat aproximativ 2.000 de particule rotunde, sau “agenți”, care să înlocuiască furnicile. Acești agenți nu puteau lua decizii de unii singuri, dar au urmat un set simplu de reguli: de exemplu, furnicilor false nu le plăcea să se lovească de vecinele lor și încercau să evite să cadă în apă. Când au lăsat jocul să se desfășoare, Wagner și Vernerey au descoperit că plutele lor simulate de furnici se comportau foarte asemănător cu cele reale. 

În special, echipa a fost capabilă să regleze cât de activi erau agenții din simulările lor: furnicile individuale erau lente și leneșe, sau se plimbau mult? Cu cât furnicile mergeau mai mult, cu atât era mai probabil ca ele să formeze extensii lungi care să iasă din plută – un pic ca oamenii care se îndreaptă spre o ieșire pe un stadion aglomerat. Wagner bănuiește că furnicile de foc folosesc aceste extensii pentru a pipăi în mediul lor, căutând bușteni sau alte bucăți de pământ uscat.

Source (CU Boulder Today, Daniel Strain, “The physics of fire ant rafts could help engineers design swarming robots”, 02.03.2022)

Paper: Wagner, R.J. and Vernerey, F.J., 2022. Computational exploration of treadmilling and protrusion growth observed in fire ant rafts. PLOS Computational Biology, 18(2), p.e1009869.