Formiche e robot: più individui al lavoro non significa un lavoro fatto prima e meglio (VIDEO)

Le formiche stachanoviste e quelle pigre: la strategia per evitare gli ingorghi

[17 agosto 2018]

Secondo un team di ricercatori statunitensi e tedeschi, «Avere più lavoratori non significa necessariamente fare più lavoro. Proprio come troppi cuochi in una cucina si intralciano, avere troppi robot nelle gallerie creerebbe degli ingorghi che possono bloccare il lavoro».

E’ quanto emerge dallo studio “Collective clog control: optimizing traffic flow in confined biological and robophysical excavation” pubblicato su Science che dimostra che nelle colonie di formiche di fuoco è in realtà solo un piccolo numero di lavoratori ad effettuare la maggior parte degli scavi, mentre il resto delle formiche sta a guardare. Facendo così cadere il mito delle formiche lavoratrici indefesse.  I ricercatori spiegano che «Per scavare i tunnel dei nidi, questo approccio meno impegnativo porta a termine il lavoro senza ingorghi, garantendo un flusso di scavo regolare». E hanno anche scoperto che «L’applicazione della strategia di ottimizzazione delle formiche ai robot autonomi evita l’intasamento meccanizzato e portano a termine il lavoro con la minor quantità di energia».

Il team statunitense e tedesco che ha lavorato a questa ricerca finanziata dal programmma Physics of Living Systems della National Science Foundation Usa, dall’Army Research Office e dalla Dunn Family Professorship, fa notare che «Ottimizzare l’attività di robot autonomi sotterranei potrebbe essere utile per compiti come il recupero di dispersi nei disastri, l’estrazione mineraria o persino lo scavo di rifugi sotterranei per i futuri esploratori planetari». La ricerca è stata sostenuta dal programma Nationalics Foundation per la fisica dei sistemi viventi, l’Ufficio di ricerca dell’esercito e la cattedra di famiglia Dunn.

Uno degli autori dello studio, Daniel Goldman, professore alla School of Physics del Georgia Institute of Technology, raccongta come sono andate le cose «Abbiamo notato che se ci sono 150 formiche in un contenitore, in un dato momento solo 10 o 15 di loro scaveranno effettivamente dei tunnel. Volevamo sapere perché e per capire come potrebbero essere al lavoro le leggi fondamentali della fisica. Per questa apparente disuguaglianza nell’ambiente di lavoro, abbiamo scoperto un vantaggio funzionale e comunitario. Senza di esso non viene fatto nessun scavo».

I ricercatori hanno monitorato le attività di 30 formiche dipinte con colori diversi per identificare ogni individuo ed è così che hanno scoperto che «Il 30% delle formiche stava facendo da solo il 70% del lavoro: una disuguaglianza che sembra continuare a mandare avanti il lavoro». Ma a quanto para questa efficienza non è dovuta al fatto che le formiche più occupate sono le più qualificate: quando i ricercatori hanno tolto via le 5 formiche più stachanoviste non c’è stato nessun calo della produttività e le 25 restanti hanno continuato a scavare.

Per le formiche di fuoco avere un nido è essenziale e se una colonia è costretta a spostarsi – per esempio a causa di un’inondazione – la prima cosa che le formiche fanno quando si sono messe in salvo è scavare un altro nido. Ma i loro tunnel sono così stretti che ci passano a malapena due formiche, una caratteristica progettuale che si ipotizza offre vantaggi per muoversi nei tunnel verticali in via di costruzione. Ma le formiche sanno anche come evitare di creare ingorghi ritirandosi dalle gallerie già occupate da altre operaie e talvolta se ne stanno tranquillamente a oziare.

Uno degli autori dello studio, Vadim Linevich, anche lui del  Georgia Institute of Technology, sta lavorando alla realizzazione di robot autonomi che riescano a scavare evitando gli ingorghi e si è ispirato proprio al lavoro (e non lavoro) di gruppo delle formiche. E’ così che i ricercatori hanno scoperto che «ben tre robot potevano lavorare efficacemente in uno stretto tunnel orizzontale scavando sfere di plastica magnetica stampate in 3D che simulavano il terreno appiccicoso. Tuttavia, se un quarto robot entrava  nel tunne questo produceva un ingorgo che bloccava del tutto il lavoro».

Goldmann spiega ancora: «Quando abbiamo messo quattro robot in un ambiente ristretto e abbiamo cercato di farli scavare, si sono immediatamente bloccati. Osservando le formiche, siamo rimasti sorpresi nel vedere che a volte i singoli individui andavano nel tunnel e se incontravano anche un minimo ingorgo si giravano e si ritiravano. Quando abbiamo inserito queste combinazioni di regole ne i robot, abbiamo creato una buona strategia per robot per scavare rapidamente con basse quantità di energia».

Il team di ricerca ha testato tre comportamenti potenziali per i robot, che hanno definito “volenterosi”, “inversione” o “pigri”. Utilizzando la strategia volenterosa, tutti e 4 i robot si sono messi alacremente al lavoro e si sono bloccati rapidamente. Nel comportamento di inversione, i robot hanno rinunciato e si sono voltati quando hanno incontrato ritardi nel raggiungere il luogo di lavoro. Nella strategia pigra, è stato incoraggiato il dawling, il perdere tempo.

Il principale autore dello studio Jeffrey Aguilar, della School of Mechanical Engineering del Georgia Institute of Technology, sottolinea che «Quella volenterosa è la strategia migliore se hai solo tre robot, ma se ne aggiungi un quarto, il loro comportamento va in tilt  perché si intralciano L’inversione produce scavi relativamente sani e sensati. Non è la strategia più veloce, ma non ci sono inceppamenti. Se si considera l’energia consumata, la cosa migliore è quella pigra».

Per capire cosa stava succedendo e sperimentare i parametri, il team di hanno utilizzato modelli computerizzati noti come cellular automata che somigliano al modo in cui gli ingegneri del traffico modellano gli spostamenti di auto e camion sulle autostrade e  Goldman spiega ancora: «Sulle autostrade, poche macchine non determinano un grande  flusso, mentre troppe macchine creano un ingorgo. C’è un livello intermedio nel quale le cose vanno al meglio e questo è chiamato il diagramma fondamentale. Dalla nostra modellazione, abbiamo imparato che le formiche lavorano proprio al picco del diagramma. Il giusto mix di distribuzione ineguale del lavoro e comportamenti di inversione ha il vantaggio di mantenerle in movimento alla massima efficienza senza ingorghi».

La capacità delle formiche di fuoco di evitare gli ingorghi sembra soddisfare un bisogno che hanno molti sistemi e un’altra autrice dello studio, Meredith Betterton dl Department of Physics dell’università del Colorado Boulder fa notare che «Le formiche lavorano in un punto delicato dove possono scavare rapidamente senza troppi ingorghi. Vediamo la stessa fisica dello scavo delle formiche, nei modelli di simulazione e negli scavi fatti dai da robot, il che suggerisce che per i gruppi di animali che hanno bisogno di scavare, evitare gli ingorghi è fondamentale».

I ricercatori hanno utilizzato robot progettati e costruiti per la ricerca, ma non erano all’altezza delle capacità mostrate delle formiche: «Le formiche sono flessibili e robuste, in grado di strngersi l’una all’altra in spazi che causerebbero l’inceppamento dei robot non flessibili». In alcuni casi, i robot nel laboratorio di Goldman si sono danneggiati a vicenda mentre si spingevano per trovare la posizione per scavare.

Secondo Goldman, «I risultati della ricerca potrebbero essere utili per l’esplorazione dello spazio, nella quale potrebbero essere necessarie gallerie per proteggere rapidamente gli esseri umani dall’avvicinarsi di tempeste di polvere o altre minacce. Se fossimo uno sciame di robot su Marte e dovessimp scavare profondamente in fretta per allontanarci dalle tempeste di polvere, questa strategia potrebbe aiutare a fornire riparo senza avere informazioni perfette su ciò che stanno facendo tutti»

Oltre alle potenziali applicazioni nella robotica, lo studio fornisce nuove informazioni  sulle complesse abilità sociali delle formiche e contribuisce alla comprensione della materia attiva: «Le formiche che vivono in ambienti sotterranei complessi devono sviluppare regole sociali sofisticate per evitare le brutte cose che possono accadere quando si hanno un sacco di individui in un ambiente affollato . conclude Goldman – Stiamo anche contribuendo a comprendere la fisica della materia attiva orientata ai compiti, aggiungendo maggiore conoscenza sperimentale per fenomeni come gli sciami».

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