Трубчатые черви – это сегментированные черви, способные образовывать запутанные сгустки, которые ведут себя как единый организм, адаптируясь к экстремальным условиям окружающей среды или более эффективно мигрируя. В лабораторных экспериментах отдельные черви способны удлиняться, вплетать неровный участок местности и протаскивать коллективный клубок червей по узкому проходу.
Группа ученых из Университета Тохоку и Университета Хиросимы недавно создала неровную и ограниченную местность для изучения коллективного перемещения шариков червей. Искусственный ландшафт напоминал по форме гантель с тремя небольшими стойками с каждой стороны. Червеобразный сгусток был ограничен с одной стороны местности узким проходом, по которому он не мог двигаться, не сузив свою сферическую форму.
Исследователи успешно смоделировали коллективные движения червей и надеются использовать дизайн для будущих роботизированных систем swarm, или систем из множества отдельных компонентов, которые должны работать коллективно, используя мягкотелых агентов. Команда опубликовала свои выводы в выпуске журнала Frontiers in Neurorobotics от 29 августа.
“Предыдущие исследования механизмов локомоции роев червеобразных организмов были сосредоточены на локомоции в плоских средах, но все еще было неясно, как они перемещаются в реальных условиях, в которых есть ограниченные пространства и выпуклые и вогнутые среды, используя межиндивидуальные физические взаимодействия”, – сказал Такеши Кано, главный исследователь проекта. исследователь и доцент Высшей школы интегрированных наук о жизни при Университете Хиросимы в Хигаси-Хиросима, Япония.
Результаты поведенческих (вверху слева) и имитационных (внизу слева) экспериментов в (а) случае без привязок и (б) случае с привязками. Червячный шарик в (а) двигался взад и вперед быстрее, чем в (б). (c) Увеличенный вид червей. Автор: Тайши Миками и др.
“Напротив, мы исследовали механизм адаптивного локомоторного поведения червеобразных организмов в ограниченной среде”, – сказал Кано. “Эти поведенческие эксперименты в средах с различными граничными условиями помогли нам понять, как черви коллективно перемещаются в сложных средах … используя основанные на физических связях взаимодействия между отдельными червями”.
Когда черви образуют сгустки, черви на внешнем краю сгустка держат свои головы внутри сгустка, а хвосты обращены наружу. Основываясь на предварительных экспериментах с использованием всего нескольких червей, исследовательская группа выдвинула гипотезу, что воздействие химического репеллента на сгустки червей заставит некоторых червей из сгустка отодвинуться от репеллента, высунув головы из сгустка и вытянув их наружу.
Команда также выдвинула гипотезу, что отдельные черви из червячных сгустков вытягивали бы свои головы из сгустка в их ограниченной местности в форме гантели и соединялись, образуя своего рода растущий придаток, или псевдоподию, которая могла бы вплетать колышки на дальней стороне местности. Затем псевдоподия вытягивала и деформировала сгусток через узкий проход на местности, одновременно увеличивая псевдоподию за счет большего количества червей.
Последующие эксперименты подтвердили гипотезу команды. “Наши результаты показывают, что капли-черви сохраняли свою полусферическую форму на открытой арене. Однако в ограниченном канале с несколькими колышками капля может гибко деформироваться и эффективно перемещаться, используя колышки”, – сказал Кано.
Схема движения червячного шарика. Сначала из червячного шарика вырастает выступ. Достигая колышков, он увлекает за собой других червей.
Важно отметить, что команда смогла точно математически смоделировать поведение червячных сгустков, предоставив средства для воспроизведения индивидуальных и коллективных движений червячных сгустков в искусственных системах, таких как swarm robotics, которые требуют коллективного перемещения множества отдельных компонентов.
В то время как формирование червеобразного сгустка обеспечивает некоторую степень защиты трубчатых червей от негативных условий окружающей среды и хищников, по мнению исследователей, поддержание каплеобразной структуры при перемещении в стесненных пространствах непрактично. Основным преимуществом их сферической структуры, вероятно, является рост структур псевдоподий, которые позволяют червям исследовать окружающую среду в поисках особенностей рельефа, которые они могут использовать для перемещения из неблагоприятных условий.
Команда ожидает, что их моделирование червячных сгустков будет использовано при проектировании будущих роботизированных систем swarm. Однако необходимо будет провести дальнейшие эксперименты, чтобы смоделировать движение шариков червя в более сложных условиях и создать модели, учитывающие способность червей изгибаться.
