Vuurmieren kunnen miniatuur-look-alikes van de Eiffeltoren bouwen vanuit hun eigen lichaam, en de insecten bouwen de structuren voortdurend opnieuw op om te voorkomen dat ze instorten, zo blijkt uit een nieuwe studie.
De insecten kruipen op en neer door deze structuren in een fenomeen dat omgekeerd lijkt op een slow-motion fontein, aldus de onderzoekers.
De bevinding van de nieuwe studie zou kunnen helpen leiden tot zwermen robots die hun eigen lichaam kunnen gebruiken om complexe 3D-structuren te vormen, voegde de wetenschappers eraan toe.
Vlotten bouwen
Vuurmieren (Solenopsis invicta) geëvolueerd in de Pantanal wetlands van Brazilië. In 2011 ontdekten Craig Tovey, een bioloog aan het Georgia Institute of Technology in Atlanta, en zijn collega's de manier waarop kolonies van deze insecten zichzelf kunnen vormen tot vlotten die maandenlang kunnen blijven drijven.
Vuurmieren kunnen plakbandjes aan de uiteinden van hun voeten gebruiken om met elkaar te verbinden en een pannenkoekvormig vlot te vormen. Uit het onderzoek uit 2011 bleek dat het exoskelet van elke mier luchtbellen kan vasthouden en licht waterafstotend kan worden. Het samenweven van een kolonie leidt tot een krachtiger waterdichtmakend effect dat het vlot droog houdt terwijl het drijft in het water.
Als de mierenvlotten optimale plekken vinden om zich te vestigen, kunnen ze klokvormige torens vormen die dienen als tijdelijke schuilplaatsen in de nasleep van overstromingen. Deze structuren kunnen elk uit honderdduizenden mieren bestaan en meer dan 30 mieren bereiken; tot nu toe was het een mysterie hoe mieren zulke hoge structuren uit hun eigen lichaam konden bouwen zonder verpletterd te worden, aldus de onderzoekers in de nieuwe studie.
Zinkende torens
Tovey en zijn collega's ontdekten per ongeluk het geheim van de hoge gebouwen terwijl ze aan het experimenteren waren met vuurmierkolonies die verzameld waren langs bermen in de buurt van Atlanta. De onderzoekers ontdekten toen 'we per ongeluk de videocamera een uur langer lieten draaien nadat de mieren klaar waren met het bouwen van hun toren', vertelde Tovey aan WordsSideKick.com.
Om de mieren ertoe te brengen torens te bouwen, plaatsten de onderzoekers ze in doorzichtige dozen met plastic staven die uit hun vloeren staken. Deze staven dienden als steun waarop de mieren zelf gemaakte structuren konden bouwen. In volgende experimenten varieerden de torens die de mieren bouwden van 7 tot 30 millimeter hoog en werden ze binnen 17 tot 33 minuten gebouwd. De onderzoekers merkten op dat dergelijke torens waarschijnlijk een klokvorm hebben aangenomen, omdat in die vorm elk onderdeel een gelijke belasting heeft.
Met hoge snelheid konden de onderzoekers zien dat de torens constant zinken, terwijl mieren in de diepten van de structuren weg tunnelen van de stapels insecten om hen heen. De structuren worden echter voortdurend herbouwd, terwijl mieren langs de zijkanten van de torens rennen.
'Het verbaasde me het meest dat de mierentoren voortdurend zinkt en weer wordt opgebouwd', zei Tovey. 'Ik dacht dat de mieren stopten met bouwen zodra de toren klaar was. De vorm blijft hetzelfde - wie zou raden dat de mieren door een onveranderlijke structuur circuleren?'
Doelloze constructie
Om hun bevindingen te bevestigen, mengden de onderzoekers een licht radioactieve op jodium gebaseerde kleurstof in het drinkwater van enkele insecten en plaatsten de kolonie vervolgens in een röntgenapparaat om de bewegingen van de mieren te volgen. 'In realtime blokkeren de oppervlakte-mieren het zicht', zei Tovey. 'Bovendien is het zinken te traag om te detecteren.'
Door transparante vellen plastic op mieren te plaatsen, ontdekten de wetenschappers dat elk insect, dat gemiddeld ongeveer 1 milligram weegt, tot ongeveer 750 keer zijn gewicht kan dragen en kan leven om het verhaal te vertellen. De experimenten suggereerden echter ook dat elke mier in torens het meest comfortabel lijkt te zijn om maximaal drie mieren op zijn rug te ondersteunen - meer niet, en ze geven het gewoon op en lopen weg, zei Tovey.
De onderzoekers merkten op dat deze structuren werden gebouwd zonder leider of gecoördineerde inspanning. In plaats daarvan zwierf elke mier doelloos rond, volgens een aantal regels die hem konden helpen torens te bouwen. Computationele modellen die de onderzoekers ontwikkelden, konden torenvormen en groeisnelheden nauwkeurig voorspellen, aldus de studie.
"Om hun hoge, solide, Eiffeltoren-vormige constructie te bouwen, lijken de mieren dezelfde eenvoudige gedragsregels te volgen die ze volgen om een pannenkoekvormig drijvend vlot op water te bouwen," zei Tovey. 'Het is opmerkelijk dat de twee grootschalige vormen die door de groep mieren worden gevormd, dramatisch verschillend zijn en verschillende functies vervullen, maar toch voortkomen uit hetzelfde kleinschalige individuele gedrag.'
De onderzoekers willen nu analyseren "de bruggen die de vuurmieren uit hun lichaam maken om gaten in het terrein te overbruggen", zei Tovey. "Ze zijn geweldig. Degenen voorin houden elkaar vast, bengelen naar beneden en naar buiten aan de andere kant en houden stevig vast aan elk uiteinde. De rest van de mieren loopt over de brug. Vervolgens ontmantelen de mieren die de brug samenstellen beginnen vanaf de eerste kant, dus aan het einde hebben alle mieren de andere kant bereikt. '
Dergelijk onderzoek zou kunnen helpen de creatie van zwermen robots te inspireren die complexe structuren uit hun lichaam zouden kunnen bouwen, zei Tovey.
"Robotica-onderzoekers hebben enig succes gehad om een vloot van robots een tweedimensionaal patroon als een rechthoek te laten vormen, maar ze hebben niet bedacht hoe ze robots een stabiele driedimensionale structuur kunnen laten vormen," zei Tovey. 'Dit onderzoek kan uitwijzen hoe dat moet.
'Stel dat we honderden kleine robots door een kleine opening een ingestort gebouw in sturen om overlevenden te zoeken of onbekend terrein op Mars te verkennen', zei Tovey. "Soms zullen de robots moeten samenwerken om spleten over te steken of over steile obstakels te klimmen. Op andere momenten zouden ze zich moeten verspreiden. Dit onderzoek kan ons helpen te begrijpen hoe ze hun individuele controllers kunnen ontwerpen, zodat ze in verschillende situaties gezamenlijk verschillende taken kunnen uitvoeren." . "
Toch kan het moeilijk zijn om robots te maken die alles kunnen wat mieren kunnen, zei hij. 'Laat een mier herhaaldelijk vallen vanaf twee meter en hij raakt niet gewond. Laat een robot honderd keer vallen vanaf twee meter en veel geluk,' zei Tovey.
De wetenschappers hebben hun bevindingen online op 12 juli gepubliceerd in het tijdschrift Royal Society Open Science.
