Individuellement, Les vers noirs de Californie mènent une vie banale en mangeant des micro-organismes dans les étangs et en servant de nourriture pour poissons tropicaux aux amateurs d'aquarium. Mais ensemble, dizaines, des centaines, ou des milliers de créatures d'un centimètre de long peuvent collaborer pour former un "ver blob, " un liquide vivant qui change de forme et qui protège collectivement ses membres du dessèchement et les aide à échapper à des menaces telles que la chaleur excessive.

Alors que d'autres organismes forment des troupeaux collectifs, écoles, ou des essaims à des fins telles que l'accouplement, prédation, et protection, les vers Lumbriculus variegatus sont inhabituels dans leur capacité à se tresser pour accomplir des tâches que des individus non connectés ne peuvent pas. Une nouvelle étude rapportée par des chercheurs du Georgia Institute of Technology décrit comment les vers s'auto-organisent pour agir en tant que « matière active enchevêtrée, " créer des comportements collectifs surprenants dont les principes ont été appliqués pour aider les blobs de simples robots à faire évoluer leur propre locomotion.

La recherche, soutenu par la National Science Foundation et le Army Research Office, a été rapporté le 5 février dans le journal Actes de l'Académie nationale des sciences . Les résultats de ces travaux pourraient aider les développeurs de robots en essaim à comprendre comment le comportement émergent de la matière active enchevêtrée peut produire des effets inattendus, complexe, et des comportements mécaniques potentiellement utiles.

Comportement collectif chez les vers

L'étincelle de la recherche est venue il y a plusieurs années en Californie, où Saad Bhamla a été intrigué par les taches de vers qu'il a vus dans un étang d'arrière-cour.

"Nous étions curieux de savoir pourquoi ces vers formeraient ces taches vivantes, " dit Bhamla, professeur adjoint à l'École de génie chimique et biomoléculaire de Georgia Tech. "Nous avons maintenant montré à travers des modèles mathématiques et des expériences biologiques que la formation des gouttes confère une sorte de prise de décision collective qui permet aux vers dans une plus grande goutte de survivre plus longtemps contre la dessiccation. Nous avons également montré qu'ils peuvent se déplacer ensemble, un comportement collectif qui n'est fait par aucun autre organisme que nous connaissons à l'échelle macro."

Un tel comportement collectif dans les systèmes vivants intéresse les chercheurs qui explorent les moyens d'appliquer les principes des systèmes vivants aux systèmes conçus par l'homme tels que les robots en essaim, dans lequel les individus doivent également travailler ensemble pour créer des comportements complexes.

"Le collectif de worm blob s'avère avoir des capacités qui sont plus que ce que les individus ont, un bel exemple d'émergence biologique, " a déclaré Daniel Goldman, un professeur de la famille Dunn à la Georgia Tech's School of Physics, qui étudie la physique des systèmes vivants.

Pourquoi les vers forment des taches

Le système worm blob a été largement étudié par Yasemin Ozkan-Aydin, un associé de recherche dans le laboratoire de Goldman. À l'aide de paquets de vers qu'elle avait commandés à l'origine auprès d'une entreprise californienne de fournitures d'aquariums et qu'elle élève maintenant dans les laboratoires de Georgia Tech, Ozkan-Aydin a soumis les vers à plusieurs expériences. Ceux-ci comprenaient le développement d'un « gymnase à vers » qui lui a permis de mesurer la force des vers individuels, connaissances importantes pour comprendre comment un petit nombre de créatures peut déplacer un blob entier.

Elle a commencé par sortir les vers aquatiques de l'eau et observer leur comportement. D'abord, ils ont commencé individuellement à chercher de l'eau. Lorsque cette recherche a échoué, ils formaient une boule en forme de boule dans laquelle les individus se relayaient sur la surface extérieure exposée à l'air où l'évaporation avait lieu - un comportement, selon elle, réduirait l'effet de l'évaporation sur le collectif. En étudiant les gouttes, elle a appris que les vers dans une goutte pouvaient survivre hors de l'eau 10 fois plus longtemps que les vers individuels.

"Ils voudraient certainement réduire la dessiccation, mais la manière dont ils le feraient n'est pas évidente et indique une sorte d'intelligence collective dans le système, " a déclaré Goldman. " Ce ne sont pas seulement des machines qui minimisent la surface. Ils cherchent à exploiter de bonnes conditions et des ressources."

Utiliser des blobs pour échapper aux menaces

Ozkan-Aydin a également étudié comment les taches de vers réagissaient à la fois aux gradients de température et à la lumière intense. Les vers ont besoin d'une plage de températures spécifique pour survivre et n'aiment pas la lumière intense. Lorsqu'une goutte a été placée sur une plaque chauffante, il s'est lentement éloigné de la partie la plus chaude de la plaque vers la partie la plus froide et, sous une lumière intense, a formé des taches étroitement enchevêtrées. Les vers semblaient diviser les responsabilités pour le mouvement, avec certaines personnes tirant le blob tandis que d'autres ont aidé à soulever l'agrégation pour réduire la friction.

Comme pour l'évaporation, l'activité collective améliore les chances de survie de l'ensemble du groupe, qui peut aller de 10 vers jusqu'à 50, 000.

"Pour un ver individuel passant du chaud au froid, la survie dépend du hasard, " dit Bhamla. " Quand ils se déplacent comme une goutte, ils se déplacent plus lentement parce qu'ils doivent coordonner la mécanique. Mais s'ils bougent comme une goutte, 95% d'entre eux passent du côté froid, donc faire partie du blob confère de nombreux avantages en termes de survie."

Un gymnase à vers

Les chercheurs ont noté que seuls deux ou trois vers « extracteurs » étaient nécessaires pour faire glisser une goutte de 15 vers. Cela les a amenés à se demander à quel point les créatures étaient fortes, ainsi Ozkan-Aydin a créé une série de poteaux et de porte-à-faux dans lesquels elle pouvait mesurer les forces exercées par des vers individuels. Ce « gymnase à vers » lui a permis d'apprécier comment les tireurs arrivaient à faire leur travail.

"Quand les vers sont heureux et cool, ils s'étirent et s'agrippent à l'un des poteaux avec la tête et ils tirent dessus, " dit Bhamla. " Quand ils tirent, vous pouvez voir la déviation du porte-à-faux auquel leurs queues étaient attachées. Yasemin a pu utiliser des poids connus pour calibrer les forces créées par les vers. La mesure de la force montre que les vers individuels ont beaucoup de puissance."

Certains vers étaient plus forts que d'autres, et à mesure que la température augmentait, leur volonté de s'entraîner au gymnase a diminué.

Appliquer les principes du ver aux robots

Ozkan-Aydin a également appliqué les principes observés chez les vers à de petites taches robotiques composées de "particules actives intelligentes, « six robots imprimés en 3D avec deux bras et deux capteurs leur permettant de détecter la lumière. pourraient y être programmés.

"Selon l'intensité, les robots essaient de s'éloigner de la lumière, " Ozkan-Aydin a déclaré. "Ils génèrent un comportement émergent qui est similaire à ce que nous avons vu chez les vers."