庭アリのコロニーと土の山を 1 週間与えると、蟻のうろこ状の都市の高層ビルほどの高さの地下建造物に変わります。設計図やリーダーがなければ、何千もの昆虫が土の斑点を動かし、トンネルのネットワークによって接続された平行なレベルを持つ複雑なスポンジのような構造を作り出します。アリの種の中には、体から生きた構造を構築するものさえあります。中央アメリカと南アメリカの陸軍アリとヒアリは、採餌遠征で道を滑らかにする橋に集まり、特定の種類のヒアリは、洪水から逃れるために間に合わせの筏に集まります.
小さな脳を持つ昆虫は、どのようにしてそのような印象的な構造を設計するのでしょうか?
科学者たちは、アリや他の昆虫の社会的行動を何十年も研究し、昆虫が行動を調整するために使用する化学的合図やその他のシグナルを探してきました。この研究の多くは、アリが採餌場所や家を建てる場所をどのように決定するかを理解することに焦点を当てています。しかし、アリの行動の観察と最新の画像技術および計算モデリングを組み合わせた新しい研究により、アリの構造の秘密が明らかになり始めています。アリは、いくつかの単純なルールに従って、これらの複雑なタスクを実行することが判明しました.
アリゾナ州立大学の生物学者であるスティーブン・プラット氏は、「人々はついに、これらの構造物を生産する問題を解決し始めています。これらの構造物は、土またはアリ自体で作られています」と述べています。昆虫社会の組織は、多くの個人の相互作用から生じる複雑な分散型システムの代表的な例であると彼は言いました.
これらの問題を解決することで、スウォーム ロボット工学、多数の単純なロボットが連携して動作すること、自己修復材料や自己修復が可能なその他のシステムの改善につながる可能性があります。より広い意味で、アリが従う規則を特定することは、生物学的に複雑なシステムがどのように出現するかを科学者が理解するのに役立つ可能性があります。たとえば、細胞のグループがどのようにして器官を形成するかなどです。
ニュージャージー工科大学の生物学者である Simon Garnier は、次のように述べています。
フランスのトゥールーズにある動物認知研究センターの行動生物学者 Guy Theraulaz と共同研究者は、過去 20 年間昆虫の巣を研究しており、データが改善されるにつれて、より複雑で現実的なモデルを構築しています。彼らは、アリがいつ、どこで建材を拾ったり落としたりするかを管理する 3 つの基本的なガイドラインが、洗練された多層構造を作成するのに十分であることを発見しました。
「それはすべて、個体間の局所的な相互作用の結果です」と、現在生きているアリの橋を研究している Theraulaz の元学生である Garnier は言いました。 「最終的な構造は、中央の調整なしで出現します。」
Theraulaz のチームは、アリが砂粒を拾ったり落としたりするたびに注意しながら、シェルターを作ろうとしてペトリ皿を這うアリのビデオを入念に分析しました。研究者たちは、3 つの主なルールを発見しました。彼らはそれらを他の粒子の近くに落として柱を形成することを好みました。そして彼らは、おそらく化学フェロモンによるマーキングのために、以前に他のアリによって扱われた穀物を選ぶ傾向がありました.
研究者たちは、これら 3 つのルールを使用して、巣作りの行動を模倣するコンピューター モデルを構築しました。モデルでは、仮想のアリが 3 次元空間をランダムに動き回り、仮想のフェロモンに浸した仮想の砂のかけらを拾い上げました。モデルのアリは、生物学的なアリが作ったものとそっくりの柱を作りました。研究チームは、フェロモンの蒸発速度を変えることで柱の配置を変えることができ、それによって、熱や湿度などのさまざまな環境条件がアリの巣の構造に影響を与える理由を説明できる可能性があります。 (彼らは 2011 年の会議レポートでモデルの予備バージョンを公開しましたが、実際のアリをよりよく模倣する、より洗練されたバージョンはまだ公開していません。)
「ここで本当に目新しいのは、これらの構造の形成と変化を詳細に観察するために新たに獲得した能力です」と Theraulaz 氏は述べています。 「生物がどのように集まって複雑でありながら完全に機能的で反応的な構造を形成するかについての正確なデータに、ついにアクセスできるようになりました。」
1 週間のシミュレーションの後、仮想アリは本物の巣のように見えるものを作成しました。それらの間の接続とともに積み重ねられたレイヤー。 Theraulaz 氏によると、接続自体は明示的にルールに記述されていませんでした。
ミシガン州立大学の物理学者で計算生物学者の Chris Adami 氏は、この研究には関与していませんが、「長い間、人々はこれが可能だとは信じていませんでした。 「複雑な動物の行動を見ると、人々は自分が頭のいい動物に違いないと思っていました。」
生きた建築
David Hu 氏とジョージア工科大学の共同研究者にとって、アリの構造を研究することは、生計を立てているだけでなく、職場での頭痛の種でもあります。フー氏のチームは、「アリがレンガとレンガの層である」生きた建築を研究しています。しかし、胡の研究室のヒアリは、巧妙な脱出アーティストでもあります。彼らは囲いから逃れるために塔を建て、施錠されたドアの下に忍び込みます。フー氏は、週末が 3 連休になることを恐れている。これにより、アリが自由になり、同僚の机の下にビバーク (数十万匹のアリでできた巣) を作る時間が増える。全員が仕事に戻ると、感染したオフィスからパニックに陥った電話がかかってきます。
「私たちの研究室からは常にアリが逃げ出しています」と Hu 氏は言います。 「ツェルトは洗練されており、湿度と温度に応じて開閉できるトンネルと窓があります。」
彼の研究では、フーは最初に、より単純な構造であるアリの筏を理解することに焦点を当てています。昆虫は、最大 100,000 のメンバーで構成されるいかだに集まることで、生息地で洪水を逃れることができます。驚くほど浮力のある構造物は、ディナー プレートと同じくらい大きく、何週間も浮くことができるため、コロニーは生き残り、新しい家を見つけることができます。
Hu と共同研究者は以前、スプーン一杯のアリを水に落とした後、昆虫の塊が簡単なプロセスでパンケーキのような筏に変化することを示していた。 「個々のアリは、筏の大きさ、筏のどこにいるのか、他のアリが何をしているのかを知ることができません」とフーは言いました。 「唯一のコミュニケーションは構造の端で行われます。構造が成長する場所です。」 Hu のチームは、これらの単純なルールを使用して、実際のアリが作るものと同じダイナミクスを持つ仮想のアリの筏を構築しました。
何がアリ筏に驚くべき強さと浮力を与えているのかを正確に理解したいと思って、フーのチームは構造の中をのぞきました。彼らはアリのいかだを凍らせ、コンピューター断層撮影 (CT スキャンとも呼ばれます) を使用してアリの画像を作成しました。
Journal of Experimental Biology の次の論文で発表される予定の調査結果は、アリが通気性と防水性の両方を備えた生地である 3 次元のゴアテックスのようなものに自分自身を織り込むことを明らかにしています。アリは、接続されているアリから押しのけて空気ポケットを形成し、75% が空気である非常に浮力のあるいかだを作成します。アリの織物の織り方は、個々のアリの間の複数の接続によってまとめられており、互いに垂直に配置されています。 「大規模で起こっていることは、小規模での多くの相互作用の結果です」とフーは言いました。その結果、構造の底にいるアリでさえ生き残ることを可能にする撥水格子ができました。
エンジニアとして、フーはアリの集合体を他の物質と同じように見ており、プラスチック、鋼、蜂蜜を研究するのと同じように、その特性を研究しています。しかし、アリは液体または固体のいずれかとして機能する珍しい能力を持っており、Hu は、この能力に関するさらなる研究が、技術者が亀裂を感知して修復できる橋などの自己修復構造を設計するのに役立つことを望んでいます.
アント アーキテクトを見つけるために、ガルニエは共同作業者と一緒にパナマ運河の島の熱帯雨林をさまよって何日も過ごすことがあります。しかし、いったん至近距離に近づくと、ターゲットは簡単に見つけることができます。貪欲な若いアリの餌を求めて、サッカー場の長さと幅のほぼ半分をカバーする巨大な群れの軍隊アリがいることがあります。特徴的な行進列にちなんで名付けられたこの遊牧種のアリは、周囲を覆っています。絶え間ない採餌を促進するために、アリは道の隙間や木々を横切って橋を架け、自分の体をビルディングブロックとして使用して、仲間のために滑らかで適切な道を作ります.科学者たちは、これらの好奇心旺盛な生き物を長い間研究し、採餌や橋を架ける戦術の進化上の利点を探ってきましたが、ガルニエと共同研究者は、構造がどのように形成されるかを正確に研究した最初の研究者です.行進列の進路に障害物を作り、アリが橋を架ける様子を記録します。
ヒアリの筏のように、橋は単純なルールに基づいて作られ、驚くほどの強度と柔軟性を備えています。アリが道路の隙間を感知するとすぐに橋を作り始めます。橋は数十センチメートルに達し、数百匹のアリを巻き込みます。構造が形成されると、アリは頭上の交通量を感じている限りその位置を維持し、交通量が少なくなるとすぐに橋を解体します。 「構造物に参加するか離脱するかの決定の正確なタイミングは、トレイル上の交通量の関数として安定性を最大化します」と Garnier 氏は言います。 「橋の形成と解体の行動規則は、交通を処理するために最適に設計されています。」
ガルニエ氏のチームは現在、個々のアリがどのように互いにくっついて構造を形成しているか、そしてどのようにアリが固定ポイントで 100 匹の仲間の体重を支えることができるかを研究しています。 「これは新しく、非常にエキサイティングなアプローチだと思います」とアリゾナ州立大学の進化生物学者で、40 年以上アリを研究しているバート ヘルドブラーは言いました。
シラキュースにあるニューヨーク州立大学環境科学林業大学の生物学者であるスコット・ターナー氏は、生きている建築物の研究から得られた最もエキサイティングな発見の 1 つは、「このプロセスがいかにダイナミックで豊かであるかということです」と述べています。ガルニエの研究は、アリが変化するニーズに応じて橋を作ったり分解したりすることを示しています。橋の研究も行っているフーのグループによる予備研究では、強度や完全性などの構造の特性が条件の変化とともに進化することが示されています。
Hölldobler は 3 つのプロジェクトすべてに興奮していますが、モデルが実際のアリの行動を模倣しているからといって、それが実際に起こっていることを反映しているとは限らないと警告しています。彼は、科学者がその証拠を見つけられなかったときに作成された、化学的な痕跡マーカーを必要とせずに複雑な採餌遠征を再現した砂漠のアリのモデルの事例を引用しています.しかし、Hölldobler のチームは後に、昆虫が実際に化学マーカーを使用しており、モデルの有用性を制限していることを発見しました.
また、現在欠けているのは、アリの行動を理解するための進化的アプローチです。 「ルールが他のルールからどのように生まれ、環境によってどのように変化するかを理解できれば、それは非常に有益です」と、この問題についてガルニエと協力することを計画しているアダミは言いました.
一方、エンジニアはすでに有用なアプリケーションを考えています。彼らは、アリの構造原理を利用して、自己組織化できるモジュラー ロボットを設計したいと考えています。アダミは、人間が到着する前に、火星の土壌から構造物を構築するために火星に送られたロボットの群れを想像しています。分散型システムの優れた点は、個々の部分が失敗してもプロジェクトが成功できることです。
動的アリ アーキテクチャは、建物の適応性を高める方法についての洞察も提供する可能性があります。たとえば、内部にいる人の数に基づいてプロパティを変更します。生きた建物を作るには、「環境と群れが環境に与える影響を継続的に監視する必要があります」とターナーは言いました。
アリは、私たちがアリを研究するために使用する器官、つまり脳の複雑な組織に光を当てることさえあるかもしれません.アリの群集の行動は、機能する脳へのニューロンの編成に似ている、と Hölldobler は述べた。 「各ニューロンは比較的愚かですが、何十億ものニューロンを取り上げると、理解の表面をかじっただけの方法で相互作用します。」
