Как простой алгоритм позволяет муравьям строить мосты из собственных тел

Бродячие муравьи формируют колонии из миллионов особей, при этом у них нет постоянного жилища. Каждую ночь они идут через джунгли в поисках нового места, где могут добывать пищу. Будучи в пути, они принимают сложные логистические решения, например, строят мосты из собственных тел. Этому их умению посвящено новое исследование, проведенное учеными Нью-Джерсийского института технологий. Оно объясняет не только то, как муравьи строят мосты без централизованной организации, т.е. среди них нет лидера, принимающего решения, но и то, как они понимают, когда им вообще нужно их строить, а когда нет.

Исследование основано на экспериментах, проведенных на бродячих муравьях в джунглях Панамы в 2014 году. На основе полученных тогда наблюдений ученые создали модель, которая позволяет измерить чувствительность муравьев к передвижению других по их телу и прогнозирует, как колония поведет себя, встретившись с препятствием: построит мост или решит обойти его.

Когда муравей на своем пути встречается с ямой или канавой, он замедляется. Остальные особи, по-прежнему двигающиеся на скорости 12 см/с, начинают двигаться по его спине. В этот момент начинают действовать два правила. Первое гласит, что когда муравей чувствует, что другие идут по нему, он должен застыть на месте. Это происходит и со следующими муравьями: на первого муравья взбирается еще один, и, если проходу все еще мешает яма впереди, ему на спину взбирается следующий, тот застывает, и так далее. Таким образом они могут построить мост любой длины, а оставшиеся муравьи колонии проходят по нему.

Однако это не все. При строительстве таких мостов муравьи также принимают компромиссные решения. Представим, например, что на их пути возник провал в виде буквы V. Колония не будет обходить его целиком, так как это заняло бы слишком много времени, но также и не построит мост через самый широкий участок провала, который позволил бы им сократить пройденное расстояние.

Тот факт, что муравьи не всегда строят сокращающие дистанцию мосты, означает, что в процесс принятия ими решений включаются и другие факторы. Такой провал ставит их перед необходимостью найти компромиссное решение, ведь более прямой путь потребует строительства моста из большего количества особей.

Ученые исследовали, как колония неосознанно рассчитывает возможные затраты и выгоды при строительстве мостов. Затраты в данном случае заключаются в том, что муравьи, задействованные в создании мостов, не могут выполнять никаких других задач, и их количество в некоторые моменты может достигать до 20% населения колонии. В таких случаях задача сокращения пути уже может не стоить вовлечения дополнительных муравьев, которые потребуются для моста.

При этом отдельные муравьи, конечно, не знают, как много из их собратьев по колонии заняты в строительстве мостов. И тут начинает действовать второе правило: когда муравьи выполняют алгоритм строительства, они обладают чувствительностью к тому, сколько других особей проходят по их спине. Когда трафик выше определенного уровня, они остаются на месте, но, как только он становится ниже, они двигаются с места и присоединяются к колонне своих собратьев.

Полученные данные важны не только для изучения группового поведения животных, но и для современной робототехники. Исследователи, работающие над созданием роев простых роботов, еще только думают над алгоритмом, который позволил бы их машинам выполнять действия, подобные строительству муравьями мостов. Этот пример важен по нескольким причинам: муравьи не обладают централизованной организацией, их алгоритмы хорошо рассчитаны и надежны, а также менее ресурсозатратны, чем те, что ученые успели создать для функционирования роев роботов.

[Иллюстрация: Vaishakh Manohar]