لانه مورچه؛ شاهکار معماری یک حشره

- باشگاه خبرنگاران به نقل از caltech نوشت: یک مورچه را تصور کنید در حالی که تپه‌ای کوچک از شن و خاک را حفر کرده و بعد از مدتی ناپدید می‌شود. اما سادگی بالای زمین جای خود را به پیچیدگی زیرزمینی می‌دهد. تونل‌ها به سمت پایین فرو می‌روند، منشعب و به اتاق‌های تخصصی منتقل می‌شوند که به عنوان خانه ملکه و محلی برای جمع آوری غذا عمل می‌کند. این‌ها فقط سوراخ‌هایی بر روی زمین نیستند و شهر‌های زیرزمینی هستند، برخی از آن‌ها محل زندگی میلیون‌ها مورچه است که تا ارتفاع ۲۵ فوت در زیر زمین قرار دارند و اغلب چندین دهه قدمت دارند.

این نوع ساخت و ساز برای اکثر موجودات یک کار چشمگیر است، اما برای حیواناتی که تقریبا به اندازه ناخن شما هستند، یک کار حرفه‌ای و همیشگی است. تیمی از محققان Caltech، با بهبود توانایی‌های خود برای حفاری در زیر زمین اعم از معدن، مترو یا کشاورزی زیرزمینی یکی از اسرار مورچه‌ها در ساختن این ساختار‌های شگفت انگیز پیچیده و پایدار را کشف کرده اند.

آیا مورچه‌ها نحوه حفر تونل را می‌دانند یا فقط کورکورانه این کار را انجام می‌دهند؟

جورج د. هوزنر، استاد مهندسی عمران و مکانیک و تیمی از متخصصان در آزمایشگاه خوزه آندراده، عادات حفاری مورچه‌ها را مورد مطالعه قرار دادند و مکانیسم‌های هدایت آن‌ها را کشف کردند. این تحقیق در مجله Proceedings of the National Academy of Science توضیح داده شده است. آندراده که مسئول اجرایی مهندسی مکانیک و عمران است قبل از شروع این تحقیق، یک سوال بزرگ داشت که می‌خواست به آن پاسخ دهد؛ آیا مورچه‌ها نحوه حفر تونل را می‌دانند یا فقط کورکورانه این کار را انجام می‌دهند؟

او می‌گوید: " لانه‌های مورچه بسیار شگفت انگیز اند، آن‌ها پلاستیک یا فلز مذاب را داخل آن می‌ریزند و شما این سیستم‌های تونلی وسیع را می‌بینید که فوق العاده چشمگیر هستند. من تصویر یکی از این خانه‌ها را دیدم و به این فکر کردم که مورچه‌ها این ساختار زیبا را چگونه حفر می‌کنند؟ "

آندراده افزود: "طبیعتا ما با هیچ مورچه‌ای مصاحبه نکردیم تا بپرسیم آیا می‌دانند چه کار می‌کنند یا خیر و با این فرضیه شروع کردیم که آن‌ها عمداً حفاری می‌کنند و شاید مورچه‌ها نقش جنگا را بازی می‌کنند. ما به این مورد شک کردیم که شاید حرکات ناخودآگاه دورانی و مارپیچ مورچه‌ها در زیر زمین به دنبال دانه‌های غذا باعث ایجاد چنین لانه‌های فوق العاده‌ای می‌شود.

آن‌ها برای شروع کار به مورچه‌ها نیاز داشتند، بنابراین از جو پارکر، استادیار زیست شناسی و مهندسی بیولوژیک که تحقیقاتش روی مورچه‌ها و روابط اکولوژیکی آن‌ها با دیگر گونه‌ها متمرکز است، کمک گرفتند. پارکر می‌گوید: "چیزی که ژوزه و تیمش به آن احتیاج داشتند کسی بود که با مورچه‌ها کار می‌کرد و رفتار‌های جمعی و سازگارانه این حشرات اجتماعی را درک می‌کرد تا زمینه کار آن‌ها را فراهم کند. "

با حضور پارکر، شناخت مورچه‌ها و نحوه کار با آن‌ها آغاز شد که این فرآیند تقریباً یک سال به طول انجامید. علاوه بر پرورش مورچه ها، تعدادی از آن‌ها را در فنجان‌های کوچکی از خاک قرار دادند تا بتوانند به وسیله دستگاه تصویربرداری اشعه ایکس از حفاری آن‌ها نمونه برداری کنند البته اندازه لیوان و تعداد مورچه‌ها در هر فنجان از قبل تعیین شده بود.

آندراده می‌گوید: " آن‌ها به نوعی دمدمی مزاج هستند و هر زمان که بخواهند حفاری می‌کنند. برخی بلافاصله شروع به حفاری می‌کنند، اما بعضی دیگر ساعت‌ها طول می‌کشد و به هیچ وجه حفاری نمی‌کنند و سایر مورچه‌ها نیز بعد از حفاری می‌ایستادند و استراحت می‌کردند. "

بعد از حرکات مورچه‌ها محققان لیوان‌های کوچک را برداشته و با استفاده از تکنیک اسکن سه بعدی تمام تونل‌های داخل آن را شبیه سازی کردند. با انجام مجموعه‌ای از این اسکن‌ها، پژوهشگران شبیه سازی‌هایی را از پیشرفت مورچه‌ها در هنگام گسترش تونل‌ها نشان دادند.

مورچه‌ها سعی کردند تا آنجا که ممکن است تونل‌های خود را در لبه‌های داخلی فنجان حفر کنند، زیرا خود جام به عنوان بخشی از ساختار تونل‌های آن‌ها عمل می‌کند. آندراده در ادامه گفت: "این منطقی است، زیرا یک خط مستقیم کوتاهترین مسیر بین دو نقطه است و نشان می‌دهد که مورچه‌ها در کار خود بسیار کارآمد هستند. زاویه تونل‌ها به زاویه آرامش معروف است. این نشان دهنده تندترین زاویه است که یک ماده گرانول می‌تواند قبل از فروپاشی در آن جا روی هم انباشته شود. "

نتیجه آزمایش‌ها چه بود؟

بعد از انجام آزمایش‌های متعدد سرانجام، تیم نکته مهمی در مورد فیزیک تونل مورچه‌ها کشف کرد که روزی می‌تواند برای انسان مفید باشد. وقتی مورچه‌ها دانه‌های خاک را حذف می‌کنند، به طرز ظریفی باعث ایجاد تغییراتی در زنجیره‌های نیرو در اطراف تونل می‌شوند. این زنجیر‌ها که تا قبل از شروع حفر مورچه‌ها تا حدودی تصادفی بوده اند، در خارج از تونل دوباره مرتب می‌شوند، مانند پیله یا آستر.

در حین انجام این کار، دو مورد اتفاق می‌افتد: ۱. زنجیر‌های نیرو دیواره‌های موجود تونل را تقویت می‌کند ۲. زنجیره نیرو فشار دانه‌ها را در انتهای تونل که مورچه‌ها در آن کار می‌کنند، کاهش می‌دهد و مورچه‌ها می‌توانند آن‌ها را با خیال راحت حذف کنند. به هر حال مسئولان این تیم معتقدند با توجه به مشاهداتشان مورچه‌ها به طور دقیق نمی‌دانند چه کاری انجام می‌دهند و طبق قوانین فیزیک تکامل یافته اند که پارکر این را یک الگوریتم رفتاری می‌نامد. او می‌گوید: " این الگوریتم در یک مورچه واحد وجود ندارد و همه این موجودات به طور اتوماتیک عمل می‌کنند. نحوه پخش این برنامه رفتاری در مغز‌های کوچک این مورچه‌ها شگفتی دنیای طبیعی است که ما هیچ توضیحی برای آن نداریم. "

آن هاامیدوار هستند که با استفاده از هوش مصنوعی بتوانند از الگوریتم رفتاری الگوبرداری کرده و نحوه فعالیت مورچه‌ها را بر روی کامپیوتر شبیه سازی کنند. بخشی از این کار تعیین نحوه اندازه گیری فیزیک مورچه‌ها در حفر تونل هاست و قدم بعدی مورچه‌های رباتیک هستند که می‌توانند برای انسان تونل حفر کنند.

همکاران این تیم شامل رابرت بوارک د مکدو، دانشجوی کارشناسی ارشد مکانیک کاربردی، شیلپا جویا، دانشجوی سابق دکترا در Caltech، ادوارد آندو و Gioacchino Viggiani از دانشگاه گرنوبل آلپ و راج کومار پال از دانشگاه ایالتی کانزاس بودند و بودجه این تحقیق با کمک دفتر تحقیقات ارتش ایالات متحده تأمین شده است.