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19 avril 2021

par l’Université de Constance

Un nouveau type de comportement collectif chez les fourmis a été révélé par une équipe internationale de scientifiques, dirigée par le biologiste Professeur Iain Couzin, co-director of the Cluster of Excellence “Centre for the Advanced Study of Collective Behavior” at the University of Constance and director of the Max Planck Institute of Animal Behavior, et Matthew Lutz, postdoctoral researcher in Couzin's laboratory Their research shows how ants use self-organized architectural structures called “ scaffolding ” to ensure circulation on sloping surfaces. Scaffolding training results from individual detection and decision making, but it allows the colony as a whole to dynamically adapt to unpredictable environmental challenges.

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Who does not know this situation? Vous êtes coincé dans un embouteillage à cause de la construction d’une route ou vous vouliez prendre le train au lieu de votre voiture, mais il ne s’est pas présenté Un problème commun à de nombreux systèmes artificiels complexes, qu’il s’agisse d’infrastructures de trafic ou d’autres systèmes technologiques, est le manque de robustesse face aux perturbations Ces systèmes sont souvent rigides et inflexibles, et les structures de contrôle centralisées ou hiérarchisées les rendent vulnérables aux perturbations ponctuelles Les systèmes biologiques, On the other hand, utilisent souvent des formes de contrôle distribué et peuvent être étonnamment robustes aux défis environnementaux.

Pour en savoir plus sur les mécanismes de contrôle sous-tendant la stabilité et la résilience dans les systèmes naturels, le biologiste Iain Couzin, basé à Constance, et son laboratoire, ainsi que des collègues internationaux d’Australie et des États-Unis, ont étudié comment les fourmis coordonnent le trafic pendant la recherche de nourriture. Leur étude, publiée dans PNAS, décrit comment les fourmis de l’espèce Eciton burchellii s’organisent en structures architecturales vivantes appelées «scaffolding» sur des surfaces en pente, pour éviter les perturbations de la circulation et conserver les ressources. Les chercheurs proposent un mécanisme de formation d’échafaudages dans lequel chaque fourmi ajuste son comportement en fonction de sa propre expérience, sans avoir besoin de communication au niveau du groupe. Ce mécanisme simple mais efficace de contrôle proportionnel du système à partir du monde animal peut inspirer la conception de systèmes artificiels, des véhicules autonomes aux futures formes d’infrastructures résilientes qui répondent aux conditions changeantes.

Pour leur étude, les scientifiques se sont rendus au Panama, où l’espèce à l’étudela fourmi militaire Eciton burchelliihabite la forêt tropicale de l’île de Barro Colorado. Les fourmis de l’armée d’Eciton sont des insectes sociaux, living in large colonies with hundreds of thousands of workers During the day, they hunt their prey in massive swarm raids that can sweep an area of ​​four tennis courts in a single day. Among the many evolutionary adaptations that rank these ants among the best predators of rainforest invertebrates, there is their remarkable ability to self-organize in living architecture. For the benefit of the colony, individual ants join forces to temporarily modify the environment and ensure the flow of traffic during colony hunts

The PNAS study describes a type of architecture that these ants build – called «scaffolding» by the authors – pour la première fois en détail Dans des conditions naturelles, des échafaudages se forment lorsque E Les sentiers de burchellii traversent des surfaces inclinées, telles que des branches ou des rochers, et les fourmis individuelles s’arrêtent et s’accrochent à la surface, restant fixes en place Les auteurs ont découvert que, ce faisant, les fourmis fournissent une prise supplémentaire pour les autres fourmis, qui continuent leur chemin, marchant sur les congénères immobiles.

Les échafaudages se sont révélés hautement adaptables, prenant différentes formes et tailles en fonction du contextede quelques fourmis dispersées disposées comme un mur d’escalade à des agrégations denses de fourmis formant une étagère en saillieLes échafaudages se forment rapidement en réponse aux perturbations, empêchant les fourmis de glisser et de tomber le long du sentier d’alimentation. Ceci est particulièrement important lorsque vous transportez des ressources précieuses comme des proies à travers un trafic dense, et que votre sentier mène à travers un environnement de forêt tropicale imprévisible avec toutes sortes de pentes et d’obstacles », décrit Couzin

Pour étudier expérimentalement le comportement des échafaudages collectifs, les auteurs ont conçu un appareil permettant l’introduction de pentes définies dans les pistes de raid des colonies de fourmis sauvages sur le terrain. Avec des expériences répétées sur des pentes d’angles différents, les chercheurs ont découvert que les fourmis s’organisaient de manière fiable en échafaudages lorsqu’elles traversaient des surfaces inclinées de plus de 40 degrees. Plus la pente est raide, plus les fourmis ont glissé ou sont tombées de la plate-forme au départ, et en réponse, plus les échafaudages ont grandi. Une fois qu’un échafaudage s’est forméquelques minutes après que les fourmis aient commencé à traverser – the number of ants slipping and falling has returned to a low level, thanks to the support structure

In accordance with their field observations and supported by theoretical modeling, scientists suggest surprisingly simple mechanism for forming scaffolding: when an animal slides on an inclined surface and then regains its footing, it has a certain probabilistic tendency to scratch the ground. and stay in place Doing so, he starts or joins a scaffolding The more animals show the behavior, the less slippery the inclined surface becomes, as the scaffolding grows The structure eventually stops growing, because trailing ants can use the existing scaffolding to cross unimpeded. «Somehow, it even surprised us how simple the mechanism is If you observe these collective phenomena for the first time, you intuitively think there must be some kind of communication between the ants However, in this particular case, there is no need Each individual adjusts his behavior according to his own experience during his crossing », explains Couzin.

As human technological and social systems become more and more complex, it is essential to find and implement mechanisms which correct errors in a robust and rapid manner, thereby increasing stability The Eciton Army Ant scaffolding example provides such a mechanism Due to its simplicity – requiring only information on the status of individual items instead of complex group-level communication – this can serve as a model for robust but flexible engineering systems with similar Lutz distributed control forms, an architect whose fascination with self-organized models in biology led to his doctoral and postdoctoral research on collective behavior and self-assembly in Couzin's laboratory, concludes: «Because the mechanism is quite simple in terms of detection and communication, it can be useful for multi-scale applications, in all disciplines These range from swarm robotics, where detection and communication restrictions may be limiting factors, to the design of self-healing materials, to biofabrication techniques and new models of reactive infrastructure”

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Ants, army ant

News – United States – Learn more about system stability thanks to ants
Associated title :
Learn more about system stability with ants.
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Source: https://phys.org/news/2021-04-stability-ants.html

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