Individualmente, Los gusanos negros de California viven una vida normal comiendo microorganismos en estanques y sirviendo como alimento para peces tropicales para los entusiastas de los acuarios. Pero juntos decenas cientos, o miles de criaturas de un centímetro de largo pueden colaborar para formar una "gota de gusano, "un líquido vivo que cambia de forma y que protege colectivamente a sus miembros para que no se sequen y los ayuda a escapar de amenazas como el calor excesivo.

Mientras que otros organismos forman bandadas colectivas, escuelas, o enjambres para fines tales como el apareamiento, depredación y protección, los gusanos Lumbriculus variegatus son inusuales en su capacidad de trenzarse para realizar tareas que los individuos desconectados no pueden. Un nuevo estudio informado por investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia describe cómo los gusanos se autoorganizan para actuar como "materia activa enredada," "creando comportamientos colectivos sorprendentes cuyos principios se han aplicado para ayudar a las manchas de robots simples a desarrollar su propia locomoción.

La investigación, apoyado por la National Science Foundation y la Army Research Office, se informó el 5 de febrero en la revista procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias . Los hallazgos del trabajo podrían ayudar a los desarrolladores de robots de enjambre a comprender cómo el comportamiento emergente de la materia activa enredada puede producir resultados inesperados. complejo, y comportamientos mecánicos potencialmente útiles.

Comportamiento colectivo en gusanos

La chispa de la investigación llegó hace varios años en California, donde Saad Bhamla estaba intrigado por las manchas de los gusanos que vio en un estanque en el patio trasero.

"Teníamos curiosidad por saber por qué estos gusanos formarían estas manchas vivientes, "dijo Bhamla, profesor asistente en la Escuela de Ingeniería Química y Biomolecular de Georgia Tech. "Ahora hemos demostrado a través de modelos matemáticos y experimentos biológicos que la formación de las manchas confiere una especie de toma de decisiones colectiva que permite a los gusanos en una masa más grande sobrevivir más tiempo contra la desecación. También demostramos que pueden moverse juntos, un comportamiento colectivo que no es realizado por ningún otro organismo que conozcamos a escala macro ".

Tal comportamiento colectivo en los sistemas vivos es de interés para los investigadores que exploran formas de aplicar los principios de los sistemas vivos a sistemas diseñados por humanos como los robots enjambres, en el que los individuos también deben trabajar juntos para crear comportamientos complejos.

"El colectivo de gusanos blob resulta tener capacidades que son más de las que tienen los individuos, un maravilloso ejemplo de emergencia biológica, "dijo Daniel Goldman, un profesor de la familia Dunn en la Escuela de Física de Georgia Tech, que estudia la física de los sistemas vivos.

¿Por qué los gusanos forman gotas?

Yasemin Ozkan-Aydin estudió ampliamente el sistema de gotas de gusanos, investigador asociado en el laboratorio de Goldman. Usando paquetes de gusanos que originalmente ordenó a una compañía de suministros para acuarios de California, y ahora cría en los laboratorios de Georgia Tech, Ozkan-Aydin sometió a los gusanos a varios experimentos. Estos incluyeron el desarrollo de un "gimnasio de gusanos" que le permitió medir la fuerza de los gusanos individuales, conocimiento importante para comprender cómo un pequeño número de criaturas puede mover una masa entera.

Comenzó sacando los gusanos acuáticos del agua y observando su comportamiento. Primero, individualmente comenzaron a buscar agua. Cuando esa búsqueda falló, formaron una mancha en forma de bola en la que los individuos se turnaron en la superficie exterior expuesta al aire donde se estaba produciendo la evaporación; comportamiento que ella teorizó reduciría el efecto de la evaporación en el colectivo. Al estudiar las manchas, aprendió que los gusanos en forma de gota podían sobrevivir fuera del agua 10 veces más que los gusanos individuales.

"Ciertamente querrían reducir la desecación, pero la forma en que lo harían no es obvia y apunta a una especie de inteligencia colectiva en el sistema, ", dijo Goldman." No son solo máquinas que minimizan la superficie. Buscan aprovechar las buenas condiciones y los recursos ".

Usar blobs para escapar de las amenazas

Ozkan-Aydin también estudió cómo las gotas de gusanos respondían tanto a los gradientes de temperatura como a la luz intensa. Los gusanos necesitan un rango específico de temperaturas para sobrevivir y no les gusta la luz intensa. Cuando se colocó una gota en un plato calentado, se alejó lentamente de la parte más caliente de la placa a la parte más fría y bajo una luz intensa formó manchas muy enredadas. Los gusanos parecían dividir las responsabilidades del movimiento, con algunos individuos tirando de la mancha mientras que otros ayudaron a levantar la agregación para reducir la fricción.

Como ocurre con la evaporación, la actividad colectiva mejora las posibilidades de supervivencia de todo el grupo, que puede variar desde 10 gusanos hasta 50, 000.

"Para un gusano individual que pasa de caliente a frío, la supervivencia depende del azar, "dijo Bhamla." Cuando se mueven como una mancha, se mueven más lentamente porque tienen que coordinar la mecánica. Pero si se mueven como una mancha, 95% de ellos llegan al lado frío, por lo que ser parte de la mancha confiere muchas ventajas de supervivencia ".

Un gimnasio de gusanos

Los investigadores notaron que solo se necesitaban dos o tres gusanos "extractores" para arrastrar una gota de 15 gusanos. Eso los llevó a preguntarse qué tan fuertes eran las criaturas, Así que Ozkan-Aydin creó una serie de postes y voladizos en los que podía medir las fuerzas ejercidas por gusanos individuales. Este "gimnasio de gusanos" le permitió apreciar cómo los tiradores se las arreglaban para hacer su trabajo.

"Cuando los gusanos están felices y frescos, se estiran y se agarran a uno de los postes con la cabeza y lo tiran, ", Dijo Bhamla." Cuando están tirando, se puede ver la desviación del voladizo al que estaban unidas sus colas. Yasemin pudo usar pesos conocidos para calibrar las fuerzas que crean los gusanos. La medición de la fuerza muestra que los gusanos individuales están acumulando una gran cantidad de energía ".

Algunos gusanos eran más fuertes que otros, y a medida que aumentaba la temperatura, su disposición a hacer ejercicio en el gimnasio disminuyó.

Aplicar principios de gusanos a los robots

Ozkan-Aydin también aplicó los principios observados en los gusanos a pequeñas manchas robóticas compuestas de "partículas activas inteligentes, "Seis robots impresos en 3-D con dos brazos y dos sensores que les permiten detectar la luz. Agregó un cerramiento de malla y alfileres a los brazos que permitieron que estos" smarticles "se enredaran como gusanos y probó una variedad de pasos y movimientos que podría programarse en ellos.

"Dependiendo de la intensidad, los robots intentan alejarse de la luz, ", Dijo Ozkan-Aydin." Generan un comportamiento emergente que es similar a lo que vimos en los gusanos ".

Ella notó que no había comunicación entre los robots. "Cada robot hace lo suyo de forma descentralizada, ", dijo." Utilizando solo la interacción mecánica y la atracción que tenía cada robot por la intensidad de la luz, podríamos controlar la burbuja del robot ".

Al medir el consumo de energía de un robot individual cuando realiza diferentes pasos (meneo y gateo), determinó que la marcha con meneo utiliza menos fuerza que la marcha a gatas. Los investigadores anticipan que al explotar la diferenciación de la marcha, los futuros enjambres robóticos entrelazados podrían mejorar su eficiencia energética.

Expandiendo lo que pueden hacer los enjambres de robots

Los investigadores esperan continuar su estudio de la dinámica colectiva de las gotas de gusanos y aplicar lo que aprenden a los robots enjambres. que deben trabajar en conjunto con poca comunicación para realizar tareas que no podrían hacer solos. Pero esos sistemas deben poder funcionar en el mundo real.

"A menudo, la gente quiere que los enjambres de robots hagan cosas específicas, pero tienden a operar en entornos prístinos con situaciones simples, "dijo Goldman." Con estas manchas, el punto es que funcionan solo debido a la interacción física entre los individuos. Es un factor interesante para incorporar a la robótica ".

Entre los desafíos que tenemos por delante se encuentran la contratación de estudiantes de posgrado que estén dispuestos a trabajar con las manchas de gusanos, que tienen la consistencia de una masa de pan.

"Es muy agradable trabajar con los gusanos, ", dijo Ozkan-Aydin." Podemos jugar con ellos y son muy amigables. Pero se necesita una persona que se sienta muy cómoda trabajando con sistemas vivos ".

El proyecto muestra cómo el mundo biológico puede proporcionar conocimientos beneficiosos para el campo de la robótica, dijo Kathryn Dickson, director de programa del Programa de Mecanismos Fisiológicos y Biomecánica de la National Science Foundation.

"Este descubrimiento muestra que las observaciones del comportamiento animal en entornos naturales, junto con experimentos biológicos y modelado, puede ofrecer nuevas perspectivas, y cómo los nuevos conocimientos adquiridos a partir de la investigación interdisciplinaria pueden ayudar a los seres humanos, por ejemplo, en las aplicaciones de control robótico derivadas de este trabajo, " ella dijo.