نموذج النقطة الدودية المتغيرة يلهم الشكل أسراب الروبوتات المستقبلية
نموذج النقطة الدودية المتغيرة يلهم الشكل أسراب الروبوتات المستقبلية
مصر ايهاب محمد زايد
يمكن أن تتجمع الديدان السوداء Lumbriculus variegatus في “نقاط” قادرة على الحركة الجماعية. لاحظ الباحثون الديدان السوداء لنمذجة سلوك الديدان الفردية ، وكذلك تكوين وحركة النقط. لقد أظهروا أن الحركة الجماعية الفعالة لا يمكن أن تظهر إلا عندما يكون هناك توازن بين “التشبث” والحركة المستقلة. قد تكون هذه النتائج بمثابة نموذج لدراسة الأنظمة الأخرى ذات الخصائص الناشئة ، مثل شبكات البوليمرات الحيوية.
تعد الديدان السوداء (Lumbriculus variegatus) من أقارب ديدان المطر التي يصل طولها إلى 10 سم. إنهم يعيشون في المستنقعات الضحلة والبرك والمستنقعات في أوروبا وأمريكا الشمالية ، حيث يتغذون على الكائنات الحية الدقيقة والحطام. لحماية نفسها من الجفاف ، يمكن أن تتجمع الديدان السوداء على شكل “نقاط” متشابكة ومتغيرة الشكل تتكون من عدد قليل إلى مئات الأفراد. تمامًا مثل أسراب النحل ، أو مجموعات من النمل الناري ، أو قطعان الزرزور ، يمكن أن تُظهر نقط الدودة السوداء حركة جماعية “ذكية”.
الآن ، يوضح العلماء أن الحركة الجماعية الفعالة لا يمكن أن تظهر إلا في فقاعات الدودة السوداء عندما تكون الظروف مناسبة تمامًا – على وجه الخصوص ، عندما يكون هناك توازن بين نشاط و “تشبث” الديدان السوداء الفردية. لقد نشروا نتائجهم مؤخرًا على أنها وصول مفتوح في مجلة Frontiers in Physics.
قال المؤلف الأول الدكتور شانتال نغوين ، باحث ما بعد الدكتوراه في معهد BioFrontiers التابع لجامعة كولورادو ، في حين أن الديدان الفردية داخل النقطة يجب أن تتشبث ببعضها البعض ، إلا أنها تحتاج أيضًا إلى الوصول إليها من الخارج لمواصلة تلقي المعلومات من البيئة الأوسع. في بولدر ، الولايات المتحدة.
“ما هو أفضل توازن بين هذه المتطلبات المتعارضة ، والذي من شأنه أن يسمح للديدان بمستوى مثالي من الاستشعار والاستجابة للبيئة ككل؟ للعثور على هذا التوازن ، أجرينا مجموعة من التجارب على الديدان السوداء الحقيقية لإنشاء نموذج واقعي لنقطة دودة “.
إيجاد درجة الحرارة المناسبة
لماذا النقط الدودية مهمة للدراسة؟ يكمن السبب بالتحديد في تنظيمهم الاجتماعي عبر مستويات متعددة.
يمكن أن تؤدي التفاعلات بين الديدان السوداء الفردية إلى خصائص جديدة غير متوقعة عندما تتحرك على شكل فقاعة. هذه الخصائص “الناشئة” هي سمة من سمات النظم البيولوجية ، من البروتينات إلى الكائنات الحية متعددة الخلايا إلى النظم البيئية. لذلك ، فإن النقط ليست رائعة في حد ذاتها فحسب ، بل يمكن أيضًا أن تكون بمثابة نموذج لأنظمة مماثلة صغيرة جدًا أو كبيرة جدًا بحيث لا يمكن ملاحظتها بسهولة ، على سبيل المثال خيوط الأكتين شبه المرنة في الهيكل الخلوي والأهداب وسوط الخلايا .
قال المؤلف المشارك الدكتور إم سعد بهاملا ، الأستاذ المساعد في جورجيا معهد التكنولوجيا في أتلانتا ، الولايات المتحدة.
لدراسة استجابة الديدان السوداء للتغيرات البيئية ، نجوين وآخرون. سجلت حركة الديدان السوداء الفردية في الحمامات المائية التي ارتفعت درجة حرارتها تدريجياً من 12 إلى 34 درجة مئوية. حتى 30 درجة مئوية ، تميل الديدان إلى استكشاف الحمام والبحث عن جدرانه ثم التحرك على طولها. في درجات الحرارة المرتفعة ، التي تضر بوظائفها ، تظل الديدان في الغالب ثابتة.
اختبار فقاعة دودة رقمية
ثم قام الباحثون بمحاكاة السلوك الفردي والجماعي للديدان السوداء في نموذج حاسوبي ، وقصروا النقط على بعدين فقط من أجل البساطة. لقد برمجوا الديدان لتتصرف مثل الجزيئات: التنافر مقابل جذب بعضها البعض على مسافات قريبة جدًا مقابل مسافات معتدلة ، وعدم التفاعل على مسافات أكبر. تمت برمجة الديدان المعزولة لاستكشاف المزيد في درجات الحرارة المنخفضة. تم ضبط المرونة بين أجزاء الجسم على معتدلة ، مما أدى إلى تمدد الديدان النموذجية في درجات حرارة منخفضة ولكنها تلتف عند درجات حرارة أعلى.
أظهر الباحثون أن الحركة الجماعية المستمرة لنقط الدودة السوداء لا يمكن أن تظهر إلا عندما يكون هناك توازن دقيق بين “تشبث” الديدان وحركتها الفردية ، بحيث تظل النقط معًا أثناء تحركها للبحث عن الأماكن الأكثر برودة. حول هذا التوازن الأمثل ، تحركت النقط النموذجية بسرعة كاليفورنيا. 1 مم / ثانية في المتوسط ، ولكن بشكل أبطأ للنقط الكبيرة.
“عندما قمنا بتغيير المعايير ، وخاصة التجاذب بين الديدان وقوة الدفع الذاتي الفردي ، لاحظنا ثلاث حالات سلوكية واسعة: حالة تحدث فيها الحركة الجماعية باستمرار ، والأخرى حيث تتفكك النقط ، وأخيرًا حالة تتشبث فيها الديدان بشدة قال المؤلف المشارك الدكتور أوريت بيليج ، الأستاذ المساعد في علوم الكمبيوتر في معهد BioFrontiers Institute: “بعضنا البعض لا تستطيع النقط أن تتحرك”.
“تظهر الديدان السوداء الحقيقية هذه أيضًا ، مما يعني أن نموذجنا – على الرغم من بساطته – يلتقط الكثير من تعقيد الكائن الحي الحقيقي.”
نأمل أن يتم تطبيق نتائجنا الحالية على تصميم أنظمة روبوتية جديدة حيث يمكن أن تتشابك الروبوتات الفردية الناعمة والمرنة وتتحرك كوحدة واحدة. ومن التطبيقات الممكنة الأخرى “المواد الحية المصممة هندسيًا” ، مثل مواد البناء أو الأقمشة ، التي تتكون من وحدات مستقلة يمكنها إعادة تنظيم نفسها للإصلاح أو الاستجابة للبيئة “، اختتم بهاملا.
