The physics of fire ant rafts could help engineers design swarming robots

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 Biology18(2), p.e1009869.

teamLab exhibition in Japan

ENG: teamLab is an international art collective, an interdisciplinary group of various specialists such as artists, programmers, engineers, CG animators, mathematicians and architects whose collaborative practice seeks to navigate the confluence of art, science, technology, and the natural world.

teamLab aims to explore the relationship between the self and the world and new perceptions through art. In order to understand the world around them, people separate it into independent entities with perceived boundaries between them. teamLab seeks to transcend these boundaries in our perception of the world, of the relationship between the self and the world, and of the continuity of time. Everything exists in a long, fragile yet miraculous, borderless continuity of life.

RO: teamLab este un colectiv internațional de artă, un grup interdisciplinar format din diverși specialiști, cum ar fi artiști, programatori, ingineri, animatori de grafică computerizată, matematicieni și arhitecți, a căror practică de colaborare urmărește să navigheze la confluența dintre artă, știință, tehnologie și lumea naturală.

teamLab își propune să exploreze relația dintre sine și lume și noile percepții prin intermediul artei. Pentru a înțelege lumea din jurul lor, oamenii o separă în entități independente, cu granițe percepute între ele. teamLab caută să transceadă aceste granițe în percepția noastră asupra lumii, a relației dintre sine și lume și a continuității timpului. Totul există într-o continuitate lungă, fragilă, dar miraculoasă, fără frontiere, a vieții.

Source (teamLab Biography)

Scientists reveal how Venus fly traps snaps shut

ENG: Scientists at Scripps Research have revealed the three-dimensional structure of Flycatcher1, an aptly named protein channel that may enable Venus fly trap plants to snap shut in response to prey. The structure of Flycatcher1, published February 14 in Nature Communications, helps shed light on longstanding questions about the remarkably sensitive touch response of Venus fly traps. The structure also gives the researchers a better understanding of how similar proteins in organisms including plants and bacteria, as well as proteins in the human body with similar functions (called mechanosensitive ion channels), might operate.

Credit: Scripps Research Institute

Mechanosensitive ion channels are like tunnels that span the membranes of cells. When jostled by movement, the channels open, letting charged molecules rush across. In response, cells then alter their behavior—a neuron might signal its neighbor, for instance. The ability for cells to sense pressure and movement is important for people’s senses of touch and hearing, but also for many internal body processes—from the ability of the bladder to sense that it’s full to the ability of lungs to sense how much air is being breathed. Previously, scientists had homed in on three ion channels in Venus fly traps thought to be related to the ability of the carnivorous plant to snap its leaves shut when its sensitive trigger hairs get touched. One, Flycatcher1, caught researchers’ attention because its genetic sequence looked similar to a family of mechanosensitive channels, MscS, found in bacteria.

In the new study, the researchers used cryo-electron microscopy—a cutting-edge technique that reveals the locations of atoms within a frozen protein sample—to analyze the precise arrangement of molecules that form the Flycatcher1 protein channel in Venus fly trap plants. They found that Flycatcher1 is, in many ways, similar to bacterial MscS proteins—seven groups of identical helices surrounding a central channel. But, unlike other MscS channels, Flycatcher1 has an unusual linker region extending outward from each group of helices. Like a switch, each linker can be flipped up or down. When the team determined the structure of Flycatcher1, they found six linkers in the down position, and just one flipped up. To help elucidate the function of these switches, the researchers altered the linker to disrupt the up position. Flycatcher1, they found, no longer functioned as usual in response to pressure; the channel remained open for a longer duration when it would normally close upon removal of pressure.

RO: Oamenii de știință de la Scripps Research au dezvăluit structura tridimensională a Flycatcher1, un canal proteic care ar putea permite plantelor capcană pentru muștele Venus să se închidă brusc ca răspuns la pradă. Structura lui Flycatcher1, publicată la 14 februarie în Nature Communications, ajută la clarificarea unor întrebări de lungă durată cu privire la răspunsul tactil remarcabil de sensibil al capcanelor. De asemenea, structura le oferă cercetătorilor o mai bună înțelegere a modului în care ar putea funcționa proteine similare din organisme, inclusiv plante și bacterii, precum și proteine din corpul uman cu funcții similare (numite canale ionice mecanosensibile).

Canalele ionice mecanosensibile sunt ca niște tuneluri care traversează membranele celulelor. Atunci când sunt bruscate de mișcare, canalele se deschid, permițând moleculelor încărcate să se grăbească să le traverseze. Ca răspuns, celulele își modifică apoi comportamentul – de exemplu, un neuron poate da un semnal vecinului său. Capacitatea celulelor de a simți presiunea și mișcarea este importantă pentru simțul tactil și auditiv al oamenilor, dar și pentru multe procese interne ale corpului – de la capacitatea vezicii urinare de a simți că este plină până la capacitatea plămânilor de a simți cât de mult aer este respirat. Anterior, oamenii de știință au descoperit trei canale ionice în capcanele pentru muștele lui Venus, despre care se credea că sunt legate de capacitatea plantei carnivore de a-și închide frunzele atunci când îi sunt atinse firele de păr sensibile de declanșare. Unul dintre acestea, Flycatcher1, a atras atenția cercetătorilor deoarece secvența sa genetică părea similară cu o familie de canale mecanosensibile, MscS, care se găsesc în bacterii.

În noul studiu, cercetătorii au folosit criomicroscopia electronică – o tehnică de ultimă generație care dezvăluie locația atomilor într-o mostră de proteină înghețată – pentru a analiza aranjamentul precis al moleculelor care formează canalul proteic Flycatcher1 în plantele capcană. Ei au descoperit că Flycatcher1 este, în multe privințe, similară proteinelor MscS bacteriene – șapte grupuri de elice identice care înconjoară un canal central. Dar, spre deosebire de alte canale MscS, Flycatcher1 are o regiune de legătură neobișnuită care se extinde spre exteriorul fiecărui grup de elice. Asemenea unui comutator, fiecare element de legătură (linker) poate fi înclinat în sus sau în jos. Atunci când echipa a determinat structura Flycatcher1, a găsit șase linkeri în poziția jos și doar unul în sus. Pentru a ajuta la elucidarea funcției acestor întrerupătoare, cercetătorii au modificat linkerul pentru a întrerupe poziția de sus. Aceștia au descoperit că Flycatcher1 nu mai funcționa ca de obicei ca răspuns la presiune; canalul a rămas deschis pentru o durată mai lungă atunci când, în mod normal, s-ar fi închis la eliminarea presiunii.

Source (Scripps Research, “Scientists reveal how Venus fly traps snaps shut”, 17.02.2021)

Paper: Jojoa-Cruz, S., Saotome, K., Tsui, C.C.A., Lee, W.H., Sansom, M.S., Murthy, S.E., Patapoutian, A. and Ward, A.B., 2022. Structural insights into the Venus flytrap mechanosensitive ion channel Flycatcher1. Nature Communications13(1), pp.1-11.

Toward accurate modeling of power MOSFET electrical characteristics

ENG: Scientists from Nara Institute of Science and Technology (NAIST) used the mathematical method called automatic differentiation to find the optimal fit of experimental data up to four times faster. This research can be applied to multivariable models of electronic devices, which may allow them to be designed with increased performance while consuming less power.

Credit: NAIST

Wide bandgap devices, such as silicon carbide (SiC) metal-oxide semiconductor field-effect transistors (MOSFET), are a critical element for making converters faster and more sustainable. This is because of their larger switching frequencies with smaller energy losses under a wide range of temperatures when compared with conventional silicon-based devices. However, calculating the parameters that determine how the electrical current in a MOSFET responds as a function of the applied voltage remains difficult in a circuit simulation.

Now, a team of scientists led by NAIST has successfully used the mathematical method called automatic differentiation (AD) to significantly accelerate these calculations. While AD has been used extensively when training artificial neural networks, the current project extends its application into the area of model parameter extraction. For problems involving many variables, the task of minimizing the error is often accomplished by a process of “gradient descent,” in which an initial guess is repeatedly refined by making small adjustments in the direction that reduces the error the quickest.

This is where AD can be much faster than previous alternatives, such as symbolic or numerical differentiation, at finding direction with the steepest “slope”. AD breaks down the problem into combinations of basic arithmetic operations, each of which only needs to be done once. “With AD, the partial derivatives with respect to each of the input parameters are obtained simultaneously, so there is no need to repeat the model evaluation for each parameter,” first author Michihiro Shintani says. By contrast, symbolic differentiation provides exact solutions, but uses a large amount of time and computational resources as the problem becomes more complex.

RO: Oamenii de știință de la Institutul de Știință și Tehnologie din Nara (NAIST) au folosit metoda matematică numită diferențiere automată pentru a găsi potrivirea optimă a datelor experimentale de până la patru ori mai repede. Această cercetare poate fi aplicată modelelor multivariabile ale dispozitivelor electronice, ceea ce ar putea permite ca acestea să fie proiectate cu performanțe sporite, consumând în același timp mai puțină energie.

Dispozitivele cu bandă interzisă largă, cum ar fi tranzistorii cu efect de câmp cu semiconductori metal-oxid de carbură de siliciu (SiC) (MOSFET), reprezintă un element critic pentru a face convertoarele mai rapide și mai durabile. Acest lucru se datorează frecvențelor lor de comutare mai mari cu pierderi de energie mai mici într-o gamă largă de temperaturi, în comparație cu dispozitivele convenționale pe bază de siliciu. Cu toate acestea, calcularea parametrilor care determină modul în care curentul electric dintr-un MOSFET răspunde în funcție de tensiunea aplicată rămâne dificilă în cadrul unei simulări de circuit.

Acum, o echipă de oameni de știință condusă de NAIST a folosit cu succes metoda matematică numită diferențiere automată (DA) pentru a accelera semnificativ aceste calcule. În timp ce DA a fost utilizată pe scară largă la antrenarea rețelelor neuronale artificiale, proiectul actual extinde aplicarea acesteia în domeniul extragerii parametrilor modelului. Pentru problemele care implică multe variabile, sarcina de minimizare a erorii este adesea realizată printr-un proces de “coborâre a gradientului”, în care o presupunere inițială este rafinată în mod repetat prin efectuarea de mici ajustări în direcția care reduce eroarea cel mai rapid.

În acest caz, DA poate fi mult mai rapidă decât alternativele anterioare, cum ar fi diferențierea simbolică sau numerică, în găsirea direcției cu cea mai abruptă “pantă”. DA descompune problema în combinații de operații aritmetice de bază, fiecare dintre acestea trebuind să fie efectuată doar o singură dată. “Cu DA, derivatele parțiale în raport cu fiecare dintre parametrii de intrare sunt obținute simultan, astfel încât nu este nevoie să se repete evaluarea modelului pentru fiecare parametru”, spune primul autor, Michihiro Shintani. În schimb, diferențierea simbolică oferă soluții exacte, dar utilizează o cantitate mare de timp și resurse de calcul pe măsură ce problema devine mai complexă.

Source (NAIST, Toward accurate modeling of power MOSFET electrical characteristics, 11.10.2021.)

Paper: Shintani, M., Ueda, A. and Sato, T., 2021. Accelerating Parameter Extraction of Power MOSFET Models Using Automatic Differentiation. IEEE Transactions on Power Electronics37(3), pp.2970-2982.

Mysterious object unlike anything astronomers have seen before

ENG: A team mapping radio waves in the universe has discovered something unusual that releases a giant burst of energy three times an hour, and it’s unlike anything astronomers have seen before. Spinning around in space, the strange object sends out a beam of radiation that crosses our line of sight, and for a minute in every twenty, is one of the brightest radio sources in the sky. The team who discovered it think it could be a neutron star or a white dwarf which are collapsed cores of stars with an ultra-powerful magnetic field.

Credit: © sakkmesterke / stock.adobe.com

The object was discovered by Curtin University Honours student Tyrone O’Doherty using the Murchison Widefield Array (MWA) telescope in outback Western Australia and a new technique he developed. Objects that turn on and off in the Universe aren’t new to astronomers, they call them ‘transients’. ICRAR-Curtin astrophysicist and co-author Dr Gemma Anderson said that “when studying transients, you’re watching the death of a massive star or the activity of the remnants it leaves behind.”

‘Slow transients’, like supernovae, might appear over the course of a few days and disappear after a few months. ‘Fast transients’, like a type of neutron star called a pulsar, flash on and off within milliseconds or seconds. But Dr Anderson said finding something that turned on for a minute was really weird. She said the mysterious object was incredibly bright and smaller than the Sun, emitting highly-polarised radio waves, suggesting the object had an extremely strong magnetic field.

RO: O echipă care cartografiază undele radio din univers a descoperit ceva neobișnuit, care eliberează o explozie uriașă de energie de trei ori pe oră și care nu seamănă cu nimic din ceea ce au mai văzut astronomii până acum. Învârtindu-se în spațiu, obiectul ciudat trimite un fascicul de radiații care traversează linia noastră vizuală și, timp de un minut la fiecare douăzeci, este una dintre cele mai strălucitoare surse radio de pe cer. Echipa care l-a descoperit crede că ar putea fi o stea neutronică sau o pitică albă, care sunt nuclee prăbușite ale stelelor cu un câmp magnetic ultraputernic.

Obiectul a fost descoperit de Tyrone O’Doherty, student la Universitatea Curtin, cu ajutorul telescopului Murchison Widefield Array (MWA) din Australia de Vest și cu ajutorul unei noi tehnici pe care a dezvoltat-o. Obiectele care se activează și se dezactivează în Univers nu sunt o noutate pentru astronomi, aceștia numindu-le “tranzitorii”. Astrofizicianul ICRAR-Curtin și co-autorul Dr. Gemma Anderson a declarat că “atunci când studiezi tranzitorii, urmărești moartea unei stele masive sau activitatea rămășițelor pe care le lasă în urmă”.

“Tranzitorii lenți”, precum supernovele, ar putea să apară în decurs de câteva zile și să dispară după câteva luni. ‘Tranzitorii rapizi’, precum un tip de stea neutronică numită pulsar, se aprind și se sting în câteva milisecunde sau secunde. Dar Dr. Anderson a spus că descoperind ceva care s-a aprins timp de un minut a fost foarte ciudat. Ea a spus că obiectul misterios era incredibil de strălucitor și mai mic decât Soarele, emițând unde radio foarte polarizate, ceea ce sugerează că obiectul avea un câmp magnetic extrem de puternic.

Source (International Centre for Radio Astronomy Research. “Mysterious object unlike anything astronomers have seen before.” ScienceDaily. ScienceDaily, 27 January 2022.)

Paper: Hurley-Walker, N., Zhang, X., Bahramian, A., McSweeney, S.J., O’Doherty, T.N., Hancock, P.J., Morgan, J.S., Anderson, G.E., Heald, G.H. and Galvin, T.J., 2022. A radio transient with unusually slow periodic emission. Nature601(7894), pp.526-530.