En surveillant les activités de 30 fourmis qui avaient été peintes pour identifier chaque individu, Goldman et ses collègues, dont l'ancienne boursière postdoctorale Daria Monaenkova et Ph.D. étudiant Bahnisikha Dutta, découvert que seulement 30 pour cent des fourmis effectuaient 70 pour cent du travail, une inégalité qui semble continuer à faire bourdonner le travail. Cependant, ce n'est apparemment pas parce que les fourmis les plus occupées sont les plus qualifiées. Lorsque les chercheurs ont retiré les cinq fourmis les plus travaillantes du nid, ils n'ont vu aucune baisse de productivité alors que les 25 autres continuaient à creuser.

Avoir un nid est essentiel pour les fourmis de feu, et si une colonie est déplacée - par une inondation, par exemple, la première chose que les fourmis feront en atteignant la terre ferme est de commencer à creuser. Leurs tunnels sont étroits, à peine assez large pour laisser passer deux fourmis, une caractéristique de conception supposée donner des avantages de locomotion dans les tunnels verticaux en développement. Toujours, les fourmis savent éviter de créer des sabots en se retirant des tunnels déjà occupés par d'autres ouvrières — et parfois en ne faisant rien du tout.

Pour éviter les engorgements et maximiser le creusement en l'absence d'un leader, les robots construits par Vadim Linevich, étudiant à la maîtrise de Goldman, ont été programmés pour capturer les aspects des fourmis qui traînent et se retirent. Les chercheurs ont découvert que jusqu'à trois robots pouvaient fonctionner efficacement dans un tunnel horizontal étroit en creusant des boules de plastique magnétiques imprimées en 3D qui simulaient un sol collant. Si un quatrième robot entrait dans le tunnel, cependant, qui a produit un sabot qui a complètement arrêté le travail.

« Quand nous avons mis quatre robots dans un environnement confiné et essayé de les faire creuser, ils se sont tout de suite bloqués, " dit Goldman, qui est le professeur de la famille Dunn à l'École de physique. "En observant les fourmis, nous avons été surpris de voir que des individus allaient parfois dans le tunnel et s'ils rencontraient ne serait-ce qu'une petite quantité de sabot, ils feraient simplement demi-tour et reculeraient. Lorsque nous combinons ces règles avec les robots, cela a créé une bonne stratégie pour creuser rapidement avec une faible consommation d'énergie par robot."

Expérimentalement, l'équipe de recherche a testé trois comportements potentiels pour les robots, qu'ils appelaient « désireux, " "inversion" ou "paresseux". En utilisant la stratégie avide, les quatre robots se sont plongés dans le travail et se sont rapidement bloqués. Dans le comportement d'inversion, les robots ont abandonné et se sont retournés lorsqu'ils ont rencontré des retards pour atteindre le chantier. Dans la stratégie paresseuse, flâner était encouragé.

"Eager est la meilleure stratégie si vous n'avez que trois robots, mais si vous en ajoutez un quatrième, ce comportement dégénère parce qu'ils se gênent mutuellement, " a déclaré Goldman. " L'inversion produit un creusement relativement sain et sensé. Ce n'est pas la stratégie la plus rapide, mais il n'y a pas de confitures. Si vous regardez l'énergie consommée, paresseux est le meilleur cours." Techniques d'analyse basées sur des fluides vitreux et surfondus, dirigé par un ancien Ph.D. étudiant Jeffrey Aguilar, a donné un aperçu de la façon dont les différentes stratégies ont atténué et empêché la formation de clusters.

Pour comprendre ce qui se passait et expérimenter avec les paramètres, Goldman et ses collègues, dont Will Savoie, un doctorat en technologie de Géorgie. étudiant, L'assistant de recherche Hui-Shun Kuan et le professeur Meredith Betterton de l'École de physique de l'Université du Colorado à Boulder ont utilisé une modélisation informatique connue sous le nom d'automates cellulaires qui présente des similitudes avec la façon dont les ingénieurs de la circulation modélisent le mouvement des voitures et des camions sur une autoroute.

« Sur les autoroutes, trop peu de voitures ne fournissent pas beaucoup de débit, alors que trop de voitures créent un embouteillage, " a déclaré Goldman. " Il y a un niveau intermédiaire où les choses sont meilleures, et c'est ce qu'on appelle le diagramme fondamental. De notre modélisation, nous avons appris que les fourmis travaillent juste au sommet du diagramme. Le bon mélange de répartitions inégales du travail et de comportements d'inversion a l'avantage de les maintenir en mouvement avec une efficacité maximale sans se coincer. »

Les chercheurs ont utilisé des robots conçus et construits pour la recherche, mais ils n'étaient pas à la hauteur des capacités des fourmis. Les fourmis sont souples et robustes, capables de se faufiler dans des limites qui provoqueraient le blocage des robots inflexibles. Dans certains cas, les robots du laboratoire de Goldman se sont même endommagés les uns les autres en se bousculant pour creuser.

Les résultats de la recherche pourraient être utiles pour l'exploration spatiale où des tunnels pourraient être nécessaires pour protéger rapidement les humains de l'approche des tempêtes de poussière ou d'autres menaces. "Si vous étiez un essaim de robots sur Mars et que vous deviez creuser profondément pour vous éloigner des tempêtes de poussière, cette stratégie pourrait aider à fournir un abri sans avoir une information parfaite sur ce que tout le monde faisait, " expliqua Goldman.

Au-delà des applications robotiques potentielles, le travail donne un aperçu des compétences sociales complexes des fourmis et ajoute à la compréhension de la matière active.

"Les fourmis qui vivent dans des environnements souterrains complexes doivent développer des règles sociales sophistiquées pour éviter les mauvaises choses qui peuvent arriver lorsque vous avez beaucoup d'individus dans un environnement surpeuplé, " a déclaré Goldman. " Nous contribuons également à la compréhension de la physique de la matière active orientée tâche, mettre plus de connaissances expérimentales sur des phénomènes tels que les essaims. »