Des grappes d'abeilles sur une branche d'arbre. Crédit :Jacob Peters, Orit Peleg/Université de Harvard
Si c'est une mauvaise idée de frapper un nid de frelons, c'est certainement une mauvaise idée de secouer un essaim d'abeilles. Sauf si, bien sûr, c'est pour la science.
Une équipe de chercheurs de l'Université Harvard a passé des mois à secouer et à secouer des essaims de milliers d'abeilles mellifères pour mieux comprendre comment les abeilles collaborent collectivement pour stabiliser les structures en présence de charges externes.
La recherche est publiée dans Physique de la nature .
"Notre étude montre comment les systèmes vivants exploitent la physique pour résoudre des problèmes complexes à des échelles bien plus grandes que l'individu, " dit L. Mahadevan, le professeur Lola England de Valpine de mathématiques appliquées à la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), Professeur de biologie organique et évolutive (OEB), et professeur de physique et auteur principal de l'étude. "Nous avons démontré que les abeilles peuvent exploiter la physicalité de l'environnement pour résoudre un problème global de stabilité mécanique en utilisant la détection et l'action locales"
Cette recherche fait suite à des travaux antérieurs du groupe qui ont montré comment les abeilles peuvent également maintenir collectivement la température d'un groupe en utilisant la détection et l'actionnement locaux pour éviter la surchauffe ou le refroidissement excessif.
Des essaims d'abeilles se forment lorsqu'une reine des abeilles frappe un grand groupe d'abeilles ouvrières pour former une nouvelle colonie. Pendant que les éclaireurs recherchent un nouvel emplacement de nid, la colonie forme un vivant, structure respiratoire, fait de leur propre corps, sur une branche d'arbre voisine. Ces grappes conservent leur structure et leur stabilité pendant des jours en présence de vent, pluie et autres charges externes.
« La question principale de notre recherche était, étant donné que les abeilles individuelles ne peuvent probablement ressentir que leurs interactions avec leurs voisines, comment font-ils des changements pour maintenir la structure globale du cluster ?", a déclaré Orit Peleg, un ancien boursier postdoctoral à SEAS et co-premier auteur de l'article.
Peleg est maintenant professeur adjoint d'informatique à l'Université du Colorado à Boulder.
Les chercheurs ont construit un essaim d'abeilles en attachant une reine des abeilles en cage à une planche mobile et en attendant que les abeilles ouvrières se regroupent autour d'elle. Une fois le cluster formé, les chercheurs ont simulé le vent en secouant la planche horizontalement et verticalement.
Ils ont observé que l'essaim commence par une structure en forme de cône, avec une certaine hauteur et surface de base. Lorsqu'il est secoué horizontalement, les abeilles créent un cône plus plat en diminuant la hauteur et en augmentant la surface de base. Quand les secousses s'arrêtent, ils reprennent leur forme d'origine.
Les abeilles savent dans quel sens se déplacer car elles réagissent aux changements locaux de leurs voisines.
"Les abeilles individuelles peuvent dire la direction de la souche en fonction de leur connexion à leurs voisines, " dit Jacob Peters, qui a récemment soutenu son doctorat. à la CEO, et co-premier auteur de l'article. "Parce que les contraintes sur l'essaim sont les plus élevées au sommet de l'essaim, où il est connecté à la branche - ou dans ce cas, le conseil d'administration, ils savent se déplacer vers le haut. Toutes les abeilles montent ensemble car elles sont influencées par ce gradient, cela conduit donc à un mouvement coordonné."
Le dispositif expérimental est constitué d'un moteur entraînant une planche de bois, sur laquelle se forme une grappe d'abeilles mellifères autour d'une reine des abeilles en cage. La carte peut être déplacée dans l'axe horizontal ou vertical à différentes fréquences et amplitudes. Crédit :Jacob Peters, Orit Peleg/Université de Harvard
Imaginez jouer à Ring-a-Round-the-Rosy les yeux bandés. Vous ne savez pas dans quelle direction tout le monde dans le cercle se déplace, mais vous savez dans quelle direction se dirige votre voisin parce que vous lui tenez la main. Tu ne sais pas quand tout le monde tombe, mais tu sais quand tomber parce que ton voisin tombe. Comme des abeilles dans un essaim, vous suivez les signaux associés à la tension locale de votre voisin.
Lorsque la grappe s'aplatit pendant l'agitation horizontale, le partage de la charge par les abeilles individuelles augmente, mais la colonie dans son ensemble est plus stable, comme s'accroupir lorsque le sol tremble. Les chercheurs ont pu imiter ce comportement dans une simulation informatique en imposant des règles au niveau local.
Les chercheurs ont également découvert que lorsque les abeilles étaient secouées verticalement, l'amas n'a pas adapté sa forme car les variations locales de déformations étaient plus faibles.
Cette recherche pourrait avoir des implications plus larges sur notre façon de penser les algorithmes de contrôle et les machines collaboratives.
"Lorsque nous construisons des machines ou des matériaux, nous utilisons des algorithmes de contrôle simples qui sont descendants, où vous disposez d'une commande centralisée qui contrôle toutes les pièces mobiles de la machine, " dit Peters. " Mais dans ce système, les abeilles réalisent ce changement de forme coordonné sans contrôleur central. Au lieu, ils sont comme un ensemble d'agents distribués avec leurs propres contrôleurs et ils doivent trouver un moyen de se coordonner sans communication explicite à longue portée. En étudiant ces types de systèmes, cela pourrait inspirer de nouvelles façons de penser le contrôle distribué des systèmes par opposition au contrôle centralisé traditionnel."
