Die Physik von Feuerameisenflößen könnte Ingenieuren helfen, schwärmende Roboter zu entwerfen

Noah überstand seine Sintflut in einer Arche. Winnie-the-Pooh hatte einen umgedrehten Regenschirm. Feuerameisen (Solenopsis invicta) hingegen bilden schwimmende Flöße, die aus Tausenden oder sogar Hunderttausenden von einzelnen Insekten bestehen.

Eine neue Studie von Ingenieuren der University of Colorado Boulder legt die einfachen physikalischen Regeln dar, die bestimmen, wie sich diese Ameisenflöße im Laufe der Zeit verändern: schrumpfen, erweitern oder wachsen lange Vorsprünge wie der Rüssel eines Elefanten. Die Ergebnisse des Teams könnten Forschern eines Tages dabei helfen, Roboter zu entwickeln, die in Schwärmen zusammenarbeiten, oder Materialien der nächsten Generation, in denen Moleküle wandern, um beschädigte Stellen zu reparieren.

Die Ergebnisse erschienen kürzlich im Fachblatt PLOS Computational Biology.

„Die Ursprünge solcher Verhaltensweisen liegen in ziemlich einfachen Regeln“, sagte Franck Vernerey, Hauptforscher der neuen Studie und Professor am Paul M. Rady Department of Mechanical Engineering. „Einzelne Ameisen sind nicht so schlau, wie man vielleicht denkt, aber zusammen werden sie zu sehr intelligenten und widerstandsfähigen Gemeinschaften.“

Feuerameisen bilden nach Stürmen im Südosten der Vereinigten Staaten diese riesigen schwimmenden Klumpen aus zappelnden Insekten, um tosende Gewässer zu überleben.

In ihrer neuesten Studie stützten sich Vernerey und der Hauptautor Robert Wagner auf mathematische Simulationen oder Modelle, um zu versuchen, die diesen Rettungsbooten zugrunde liegende Mechanik herauszufinden. Sie entdeckten zum Beispiel, dass sich die Ameisen in einem Floß umso mehr nach außen ausdehnen, je schneller sie sich bewegen, und oft lange Vorsprünge bilden.

„Dieses Verhalten könnte im Wesentlichen spontan auftreten“, sagte Wagner, ein Doktorand des Maschinenbaus. „Es muss nicht unbedingt eine zentrale Entscheidungsfindung durch die Ameisen geben.“

Zeit auf dem Laufband

Fast zufällig entdeckten Wagner und Vernerey die Geheimnisse der Ameisenflöße.

In einer separaten Studie, die 2021 veröffentlicht wurde, ließ das Duo Tausende von Feuerameisen mit einem Plastikstab in der Mitte in einen Eimer Wasser fallen – wie ein einsames Schilf inmitten stürmischer Gewässer. Dann warteten sie.

„Wir haben sie bis zu acht Stunden dort gelassen, um die langfristige Entwicklung dieser Flöße zu beobachten“, sagte Wagner. „Am Ende haben wir gesehen, dass die Flöße anfingen, diese Wucherungen zu bilden.“

Anstatt im Laufe der Zeit dieselbe Form beizubehalten, würden sich die Strukturen zusammenziehen und sich zusammenziehen, um dichte Ameisenkreise zu bilden. An anderen Stellen breiteten sich die Insekten wie Pfannkuchenteig auf einer Pfanne aus und bauten sogar brückenartige Erweiterungen.

Die Gruppe berichtete, dass die Ameisen diese Formänderungen durch einen „Laufband“-Prozess zu modulieren schienen. Wie Wagner erklärte, besteht jedes Ameisenfloß aus zwei Schichten. Auf der Unterseite finden Sie „strukturelle“ Ameisen, die sich fest aneinander klammern und die Basis bilden. Darüber befindet sich eine zweite Ameisenschicht, die frei auf ihren Mitbewohnern herumläuft.

Über einen Zeitraum von Stunden können Ameisen von unten nach oben kriechen, während sich frei bewegende Ameisen nach unten fallen lassen, um Teil der Strukturschicht zu werden.

„Das Ganze ist wie ein Donut-förmiges Laufband“, sagte Wagner.

Brücke zur Sicherheit

In der neuen Studie wollten er und Vernerey herausfinden, was dieses Laufband zum Laufen bringt.

Zu diesem Zweck erstellte das Team eine Reihe von Modellen, die ein Ameisenfloß im Wesentlichen in ein kompliziertes Damespiel verwandelten. Die Forscher programmierten ungefähr 2.000 runde Partikel oder „Agenten“, um die Ameisen zu vertreten. Diese Agenten konnten keine eigenen Entscheidungen treffen, befolgten jedoch einfache Regeln: Die falschen Ameisen zum Beispiel stießen nicht gerne mit ihren Nachbarn zusammen und versuchten, nicht ins Wasser zu fallen.

Als sie das Spiel spielen ließen, stellten Wagner und Vernerey fest, dass sich ihre simulierten Ameisenflöße sehr ähnlich wie die echten Dinger verhielten.

Insbesondere konnte das Team einstellen, wie aktiv die Agenten in ihren Simulationen waren: Waren die einzelnen Ameisen langsam und faul oder liefen sie viel herum? Je mehr die Ameisen gingen, desto wahrscheinlicher bildeten sie lange Fortsätze, die aus dem Floß herausragten – ein bisschen wie Menschen, die in einem überfüllten Stadion auf einen Ausgang zuströmen.

„Die Ameisen an den Spitzen dieser Vorsprünge werden fast von der Kante ins Wasser gedrückt, was zu einem außer Kontrolle geratenen Effekt führt“, sagte er.

Wagner vermutet, dass Feuerameisen diese Fortsätze benutzen, um sich in ihrer Umgebung abzutasten und nach Baumstämmen oder anderen Stücken trockenen Landes zu suchen.

Über Ameisenflöße müssen die Forscher noch viel lernen: Was bringt zum Beispiel Ameisen in der realen Welt dazu, von behäbig auf faul umzuschalten? Aber vorerst sagt Vernerey, dass Ingenieure ein oder zwei Dinge von Feuerameisen lernen könnten.

„Unsere Arbeit an Feuerameisen wird uns hoffentlich helfen zu verstehen, wie einfache Regeln programmiert werden können, beispielsweise durch Algorithmen, die vorschreiben, wie Roboter mit anderen interagieren, um eine gezielte und intelligente Schwarmreaktion zu erreichen“, sagte er.