Maurnavigasjon fascinerer ingeniører
Av David Coppedge, 2. mars 2023. Oversatt herfra. (Uthevelse og kursiv ved oversetter)

Å se maur optimalisere søkestrategiene sine er morsomt, og motiverer til biomimikk, men få er de biologene som vurderer hvilke designkrav som gjør det mulig.

Bilde 1. En maur 'på leit'

Forskningsteam fra to universiteter observerte nylig navigasjonsstrategier for forskjellige maur som lever i svært forskjellige habitater. Begge ble overrasket over ferdighetene deres og trodde funnene ville være nyttige for robotingeniører. Begge ga imidlertid rett og slett en sideovergang til Darwin for å forklare hva de observerte. Det «utviklet seg», sa de avvisende, og trodde at forklaringsarbeidet var gjort. Designteoretikere vet bedre. De forstår maskinvare- og programvarekravene for å optimalisere en søkealgoritme.

Tremaur
Det første teamet, som kom fra Stanford og publiserte i PNAS, studerte tremaur. Den trelevende skilpaddemauren (Cephalotes goniodontus), vanlig i Mexicos subtroper, kan løse problemet med "korteste vei" mens den navigerer på lemmer av trær og busker, sier disse forfatterne. Å finne den korteste veien er et vanskelig problem for tjenesteleverandører som leverer varer. University of Texas forklarer "det kinesiske postmannproblemet"

Det er problemet den kinesiske postmannen står overfor: han ønsker å reise langs alle veier i en by for å levere brev, med minst mulig avstand. Problemet er hvordan man finner en korteste lukket tur av grafen der hver kant krysses minst én gang, i stedet for nøyaktig én gang. [Uthevelse lagt til.]
I et tre kan lemmer betraktes som "kanter" og forgreningspunkter kan betraktes som "toppunkter". Tenk på kompleksiteten av grener som går denne veien og den, med matkilder i ukjent avstand fra reiret. Hvordan minimerer maurene energikostnadene ved å søke, finne og hente maten? Og hva gjør de når det er hindringer på veien?
-Her undersøker vi hvordan stinettverkene til skogskilpaddemauren (Cephalotes goniodontus) kan løse varianter av problemet med korteste vei, et grunnleggende optimaliseringsproblem på grafer. Lærebokalgoritmer for dette problemet finner optimale løsninger ved å bruke kunnskap om hele nettverket. Skilpaddemaur hekker og fôrer i trekronen i den tropiske skogen; Løypenettverket deres er begrenset til å ligge på en naturlig graf dannet av sammenfiltrede grener og vinranker (fig. 1), og ingen maur har noen global informasjon om nettverket. Observasjoner av skilpaddemaur i feltet viser at en kolonis stinettverk omtrent minimerer antall toppunkter.

Uten veikart må hver enkelt maur på en eller annen måte delta i løsningen. Forskerteamet fant for det første at maurene slipper feromoner ved hvert toppunkt og langs kantene. Styrken til feromoner avtar med tiden, og gir dem data om hvor nylig en annen maur besøkte den. Forskerne la merke til at to andre datakilder hjelper maurene med å finne den korteste veien: (1) den toveis strømningshastigheten ved et toppunkt, og (2) "lekkasjen" av maur når noen forlater banen for å utforske. Dynamikken til disse inngangene hjelper maurene til raskt å konvergere på den korteste veien.

Bilde 2. Maur vokter lus

-Oppsummert bidrar vår modell for hvordan maurstier endrer seg over tid, til den synergistiske utvekslingen mellom biologi og informatikk, og gir en plausibel forklaring på hvordan turtelmaurkolonier kan finne stier som minimerer antall toppunkter, og foreslår en overraskende algoritme for de korteste baneoppdagelse, ved å øke strømningshastigheten, gjeldende for distribuerte tekniske systemer.
Hvordan forklarer de denne fantastiske algoritmen? "Evolusjon har ført til naturlige algoritmer som regulerer kollektiv atferd i mange biologiske systemer." Nok sagt?

Fjellmaur
Et annet team fra University of Arizona undersøkte en annen type maur: en liten art som bor i fjellsprekker. "Maurene går på marsjer... metodisk," sier de. Arbeidet deres snudde en antagelse om maurnavigasjon: det er mer metodisk enn tidligere antatt. Ved å bruke en kjent analogi begynner de,
-Når du spaserer gjennom en ukjent matbutikk, kan du finne deg selv metodisk å gå ned hvert isolatt for å sikre at du finner alt du trenger uten å krysse den samme stien to ganger. Noen ganger vil du avvike fra denne ryddige prosessen, for eksempel når du ser et levende "til salgs"-skilt fra andre siden av butikken eller innser at du har glemt noe. Ifølge en studie ledet av forskere ved University of Arizona, søker noen maur etter mat og husly på lignende måte.

Bilde 3. Maurtue

Stefan Popp og Anna Dornhaus samlet steinmaur (Temnothorax rugatulus) nær Tucson og satte opp et eksperiment i laboratoriet deres der de kunne se bevegelsene deres med kameraer og sporingsprogramvare. Denne arten danner ikke de kjente maurstiene vi finner i våre hjem; snarere søker individene på egenhånd.
-Anekdotiske bevis tyder på at de stort sett søker på små levende eller døde leddyr og slikker opportunistisk opp sukkerholdige væsker. Enkeltpersoner kan skille sitt eget feromon fra det til andre maur og blir ikke tiltrukket av eller følger sporene til redekamerater mot mat. Deres egenskaper ved å søke individuelt, har et relativt lite utvalg sammenlignet med andre maurarter, og den lille kolonistørrelsen gjør disse maurene til en god studieart for å undersøke søkeeffektiviteten til 'Central Place Foragers'.
I motsetning til forventningene beveget de enkelte maurene seg ikke på en tilfeldig måte, men gikk i stedet i en frem-og-tilbake-bevegelse mens de utforsket. Jegere trener ofte hundene sine til å fange dufter ved hjelp av en lignende metode. Hunden kan trenge veiledning fra jegeren når den blir blokkert av en hindring. Disse små maurene vil imidlertid bytte til tilfeldig modus når de står overfor en hindring. Hvordan lykkes denne navigasjonsstrategien med å optimalisere banen?

"Til nå har den utbredte antakelsen vært at frittsøkende dyr ikke er i stand til å lete etter nye ressurser metodisk," sa Popp. "Det meste av tidligere forskning på søkeatferd fokuserte kun på situasjoner der dyret allerede er kjent med hvor det skal, for eksempel å gå tilbake til reirinngangen eller gå tilbake til en minneverdig matkilde."
"Basert på disse resultatene kan mange dyr bruke komplekse kombinasjoner av tilfeldig og systematisk søk ​​som optimaliserer effektivitet og robusthet i reelle og komplekse habitater," sa Dornhaus. "Denne oppdagelsen åpner for en helt ny måte å se på alle dyrs bevegelser."
Som i tidligere forskning, tror dette teamet at det de oppdaget vil hjelpe robotdesignere og andre problemløsere. Maurenes strategi "har også potensial til å forene forskjellige vitenskapsfelt" og til å gi "applikasjoner for virkelige miljøer der et fullstendig systematisk søk ​​ville mislykkes når de står overfor en hindring."
Så hvordan forklarer dette teamet opprinnelsen til denne robuste, tilpasningsdyktige søkestrategien? Det utviklet seg. Det utviklet seg over hele verden! "Ifølge forskerne kunne den evolusjonære fordelen med slingring funnet i disse steinmaurene muligens ha utviklet seg i andre arter av insekter og dyr også."

Bilde 4. Modell laget av maurtue

Maur hva det pleide å være
Er det nyttig i vitenskapen å kaste forklaringen på en kompleks evne til en rekke uoppdagede feil i fortiden? Kan noen virkelig forestille seg en pre-maur uten at disse evnene oppnår de spektakulære innovasjonene som gjør deres navigasjonsferdigheter så attraktive?
Begge lag innser selvfølgelig at ingeniører som vil bruke funnene sine til å bygge roboter eller optimalisere søkealgoritmer, må bruke sine intelligente sinn flittig for å lykkes like bra som disse bittesmå maurene har gjort. Ingeniørene må utvilsomt utarbeide et sett med krav før de oppretter en vellykket anvendelse. Overser evolusjonsbiologene kravene til maurnavigasjon?

I sin utmerkede bok Animal Algorithms -lenke, s. 62-65 deler Eric Cassell ytterligere forbløffende egenskaper til maur. Han nevner at en maurhjerne er en fjerdedel av størrelsen på en biehjerne, med rundt 250 000 nevroner. Innenfor den lille hjernen opererer elegant programvare som kan gjøre landemerkegjenkjenning, vektoranalyse og baneintegrasjon, ved å bruke flere sensoriske innganger: et solkompass, feromoner og polarisert lys. Hjernen krever dessuten minimum nok minne til å lagre og hente informasjonen, en kilometerteller for å måle veilengde og beslutningsalgoritmer for kjemotakse. Disse må alle være under sentral kontroll for å muliggjøre baneintegrering. Uten at disse kravene ble oppfylt hos hver enkelt, kunne ikke maurene utføre underverkene forskerne beundrer. Cassell spør på slutten av denne diskusjonen: "Hvordan oppsto disse komplekse programmerte atferdene?" Spørsmålet fortjener et bedre svar enn "De utviklet seg."

David Coppedge
David Coppedge er en frilans vitenskapsreporter i Sør-California. Han har vært styremedlem i Illustra Media siden grunnleggelsen og fungerer som deres vitenskapskonsulent. Han jobbet ved NASAs Jet Propulsion Laboratory (JPL) i 14 år, på Cassini-oppdraget til Saturn, til han ble kastet ut i 2011 for å ha delt materiale om intelligent design, en diskriminerende handling som førte til en nasjonalt publisert rettssak i 2012. Discovery Institute støttet saken hans, men en ensom dommer dømte mot ham uten forklaring. En naturfotograf, friluftsmann og musiker, David har B.S. grader i realfagsutdanning og i fysikk og holder presentasjoner om ID og andre vitenskapelige emner.

Bilde 5. David Coppedge