佐治亚理工学院 加利福尼亚的大群黑蠕虫形成“蠕虫斑点”，创造集体行为来提高个体生物体的生存能力
信用:克里斯托弗摩尔，佐治亚理工学院 就个人而言，加州黑虫过着平凡的生活，吃池塘里的微生物，并为水族馆爱好者提供热带鱼食物
但是，数十、数百或数千厘米长的生物可以合作形成一个“蠕虫斑点”，这是一种变形的活体液体，共同保护其成员免受干燥，并帮助他们逃避过热等威胁
当其他生物出于交配、捕食和保护等目的而形成集体群、群或群时，杂色蚓虫不寻常的是它们能够将自己编织在一起以完成没有联系的个体无法完成的任务
佐治亚理工学院的研究人员报道了一项新的研究，描述了蠕虫如何自我组织，充当纠缠的“活性物质”，创造出令人惊讶的集体行为，其原理已被应用于帮助简单机器人群体进化出自己的运动
这项由国家科学基金会和陆军研究办公室支持的研究于2月16日报道
5发表在《美国科学院院刊》上
这项工作的发现可以帮助群体机器人的开发人员理解纠缠活性物质的紧急行为是如何产生意想不到的、复杂的和潜在有用的机械驱动行为的
蠕虫的集体行为 这项研究的火花几年前在加利福尼亚出现，萨阿德·巴姆拉被他在后院池塘里看到的蠕虫激起了兴趣
佐治亚理工学院化学和生物分子工程学院的助理教授巴姆拉说:“我们很好奇为什么这些蠕虫会形成这些活体生物。”
“我们现在已经通过数学模型和生物实验表明，形成斑点赋予了一种集体决策权，这种集体决策权使更大斑点中的蠕虫在脱水的情况下存活更长时间
我们还展示了它们可以一起移动，这是一种集体行为，在宏观尺度上我们所知的任何其他生物体都没有做到
" 研究人员对生命系统中的这种集体行为很感兴趣，他们探索如何将生命系统的原理应用到人类设计的系统中，如群体机器人，在这些系统中，个体也必须一起工作来创造复杂的行为
佐治亚理工学院物理学院研究生物系统物理学的邓恩家族教授丹尼尔·古德曼说:“事实证明，蠕虫斑点集体拥有的能力比个体拥有的能力更强，这是生物进化的一个极好例子。”
为什么蠕虫会形成斑点 高盛实验室的研究助理亚塞姆·厄扎坎-艾登对蠕虫斑点系统进行了广泛的研究
厄扎坎-艾登利用她最初从加州水族馆供应公司订购的蠕虫束——现在在佐治亚理工学院实验室饲养——对这些蠕虫进行了几次实验
其中包括开发一个“蠕虫健身房”，让她能够测量单个蠕虫的力量，这是了解少量生物如何移动整个斑点的重要知识
她首先将水生蠕虫从水中取出，观察它们的行为
首先，他们各自开始寻找水源
当搜索失败时，他们形成了一个球形斑点，其中个体轮流在暴露于蒸发发生的空气中的外表面上——她认为这种行为会减少蒸发对集体的影响
通过对斑点的研究，她了解到斑点中的蠕虫离开水存活的时间是单个蠕虫的10倍
“他们当然希望减少脱水，但他们这样做的方式并不明显，而是指向系统中的一种集体智慧，”高盛表示
“它们不仅仅是表面最小化的机器
他们正在寻求开发良好的条件和资源
" 佐治亚理工学院的研究助理亚塞明·厄扎坎-艾登拿着一个智能球，而佐治亚理工学院的助理教授萨德·巴姆拉拿着一个蠕虫球
机器人和蠕虫被用于研究创造惊人集体行为的自组织
信用:克里斯托弗摩尔，佐治亚理工学院 利用博客逃避威胁 厄扎坎-艾登还研究了蠕虫斑点对温度梯度和强光的反应
蠕虫需要特定的温度范围才能生存，不喜欢强光
当一个斑点被放在一个加热的盘子上，它慢慢地从盘子的较热的部分移到较冷的部分，在强光下形成紧密缠结的斑点
这些蠕虫似乎分担了这一运动的责任，一些人拉动斑点，而另一些人帮助提升聚集以减少摩擦
与蒸发一样，集体活动提高了整个群体的生存机会，从10条蠕虫到多达50000条不等
“对于一个从热到冷的个体蠕虫来说，生存取决于机会，”巴姆拉说
“当它们作为一个斑点移动时，它们移动得更慢，因为它们必须协调力学
但是如果它们像一团东西一样移动，95%的它们会到寒冷的一边，所以成为一团东西的一部分会带来很多生存优势
" 蠕虫健身房 研究人员注意到，只需要两到三条“牵引”蠕虫就可以拖动一个15个蠕虫的团块
这让他们想知道这些生物到底有多强壮，所以厄扎坎-艾登创造了一系列的杆子和悬臂，在这些杆子和悬臂中，她可以测量单个蠕虫施加的力
这个“蠕虫健身房”让她体会到车夫们是如何工作的
巴姆拉说:“当虫子开心、凉爽时，它们会伸出头抓住其中一根杆子，然后把它拉上。”
“当它们拉的时候，你可以看到它们尾巴所连接的悬臂的偏转
雅塞明能够使用已知的重量来校准蠕虫产生的力量
力量测量显示单个的蠕虫有很大的力量
" 有些蠕虫比其他蠕虫更强壮，随着温度的升高，它们在健身房锻炼的意愿下降了
将蠕虫原理应用于机器人 厄扎坎-艾登还将在蠕虫中观察到的原理应用于由“智能活性粒子”组成的小型机器人斑点，这是六个带有双臂和两个传感器的三维打印机器人，使它们能够感知光线
她在手臂上增加了网状外壳和别针，让这些“智能车辆”像虫子一样缠绕在一起，并测试了可以编入它们的各种步态和动作
厄扎坎·艾登说:“根据光线的强弱，机器人会试图远离光线。”
“它们会产生类似于我们在蠕虫身上看到的紧急行为
" 就个人而言，加州黑虫过着平凡的生活，吃池塘里的微生物，并为水族馆爱好者提供热带鱼食物
但是，数十、数百或数千厘米长的生物可以合作形成一个“蠕虫斑点”，这是一种变形的活体液体，共同保护其成员免受干燥，并帮助他们逃避过热等威胁
荣誉:佐治亚理工学院、布莱斯·齐默曼和克里斯托弗·摩尔 她注意到机器人之间没有交流
“每个机器人都在以分散的方式做自己的事情，”她说
“仅利用机械互动和每个机器人对光线强度的吸引力，我们就可以控制机器人的斑点
" 通过测量单个机器人执行不同步态(摆动和爬行)时的能量消耗，她确定摆动步态比爬行步态消耗更少的能量
研究人员预计，通过利用步态差异，未来的纠缠机器人群可以提高它们的能量效率
扩展机器人群的功能 研究人员希望继续他们对蠕虫群体集体动力学的研究，并将他们所学的应用于群体机器人，这些机器人必须在很少交流的情况下一起工作，以完成他们无法单独完成的任务
但是这些系统必须能够在现实世界中工作
“人们通常想让机器人群做特定的事情，但它们往往在简单的情况下在原始环境中运行，”高盛说
“对于这些斑点来说，关键是它们的工作仅仅是因为个体之间的物理相互作用
这是机器人学中一个有趣的因素
" 未来的挑战之一是招募愿意与蠕虫一起工作的研究生，这种蠕虫具有面包面团的一致性
“虫子很好对付，”厄扎坎-艾丁说
“我们可以和他们一起玩，他们非常友好
但这需要一个对生活系统非常适应的人
" 国家科学基金会生理机制和生物力学项目主任凯瑟琳·迪克森说，该项目展示了生物世界如何为机器人领域提供有益的见解
“这一发现表明，对自然环境中动物行为的观察，以及生物实验和建模，可以提供新的见解，以及从跨学科研究中获得的新知识如何帮助人类，例如，在这项工作产生的机器人控制应用中，”她说
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