Тоннели муравьев могут находиться глубоко под землёй, содержать миллионы насекомых и существовать десятилетиями, несмотря на то, что созданы без использования оборудования и армирующих материалов. Секреты этих впечатляющих архитектурных сооружений раскрываются сегодня с помощью трехмерной рентгеновской визуализации и компьютерного моделирования.
Учёные из Калифорнийского технологического института создали миниатюрные колонии муравьев в контейнере, содержащем 500 миллилитров почвы и 15 муравьев. Положение каждого насекомого и каждой песчинки почвы затем фиксировалось рентгеновскими снимками с высоким разрешением каждые 10 минут в течение 20 часов.
Снимки показали точную информацию о форме каждого тоннеля и о том, какие зерна удалялись для его создания. Затем исследователи создали компьютерную модель, используя эти снимки, чтобы понять силы, действующие на тоннели. Размер и форма каждого зерна были воссозданы в модели, и можно было рассчитать направление и величину силы, воздействующей на каждое зерно, включая силу тяжести, трение и сцепление, вызванные влажностью.
Выяснилось, что силы внутри почвы, как правило, направляются вокруг оси тоннеля, когда муравьи копают, образуя то, что называется “арками” в почве, которые имеют больший диаметр, чем сам туннель. Это уменьшает нагрузку, действующую на частицы почвы внутри арок, где насекомые строят свой тоннель. В результате муравьи могут легко удалить эти частицы, чтобы расширить тоннель, не вызывая обвалов. Арки также делают тоннель прочнее и долговечнее.
Оказалось, что муравьи следуют очень простому поведенческому алгоритму, который эволюционировал с течением времени. Они, как правило, роют относительно прямые тоннели, которые спускаются под углом покоя – наклоном, на котором гранулированный материал естественным образом образует насыпи, – который в данном случае составлял около 40 градусов. Они также выбирают зерна точно правильные для удаления, чтобы создать защитную арку сверху.
“Замечательным образом – довольно, знаете ли, удачным образом – они наткнулись на технику копания, которая соответствует законам физики”, – рассказывают специалисты.
Команда считает, что если поведенческий алгоритм можно будет дополнительно проанализировать и в конечном итоге воспроизвести, то он может найти применение в создании автоматизированных горных роботов.
