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Formiche robot

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FUTURO – Ricordate i robottini ALICE? Sono mini robot programmabili, sviluppati all’EPFL, utilizzati spesso dai ricercatori nello studio delle proprietà emergenti, cioè quei comportamenti complessi che si manifestano a partire da poche, semplicissime, regole seguite dalle unità che compongono il sistema. Ne sono un esempio gli stormi, siano questi di uccelli o di robot.

Usando ALICE questa volta i ricercatori sono riusciti a mimare quasi perfettamente il foraggiamento delle formiche argentine (Linepithema humile). Il problema di partenza era come le formiche scegliessero il percorso da seguire dal nido alla fonte di cibo: possibile che fossero in grado di riconoscere e ricordare la geometria del percorso? I ricercatori del CNRS (Centre de Recherches sur la Cognition Animale, Tolosa, Francia) e del Dipartimento di scienze biologiche del New Jersey Institute of Technology (Newark, New Jersey, USA) hanno scoperto che, almeno nei robot, si ottiene lo stesso comportamento anche senza questa variabile, che presupporrebbe da parte delle formiche capacità cognitive improbabili, anche a causa della ridotta vista di questa specie. Alle formiche-robot bastano infatti i feromoni in questo caso, simulati da una traccia luminosa (vedi video): un proiettore sopra il labirinto proietta dischi di luce blu che i robot possono rilevare con i loro fotocettori (che prendono il posto delle antenne che sentono le tracce chimiche): più è intensa la luce, più è forte la traccia. Ovviamente, come succede con le formiche “biologiche” sono le stesse formiche robot, costantemente monitorate nei loro movimenti, che lasciano dietro di loro la scia luminosa. Nonostante i limiti dell’esperimento, come il fatto che gli ALICE fossero solo un gruppo di 10, mentre le osservazioni sperimentali sulle formiche argentine riguardano centinaia di individui, i ricercatori ritengono che l’ipotesi del “rilievo geometrico” sia da scartare. I risultati della ricerca sono stati pubblicati su Plos Computational Biology

Ma perché gli insetti sociali sono studiati anche in campi apparentemente lontani dalla biologia? Abbiamo chiesto un commento all’etologo Donato Grasso, ricercatore e docente di Etoecologia e Sociobiologia presso il Dipartimento di Bioscienze dell’Università di Parma (Myrmecology Lab). Link editoriali.

Le colonie degli insetti sociali sono sistemi biologici eccezionalmente complessi le cui proprietà spesso trascendono quelle degli individui che li caratterizzano. Per questo vengono definite “superorganismi”. L’interesse che questi straordinari animali suscitano anche in altri ambiti di studio nasce proprio dal fatto che il differenziamento e l’integrazione delle loro attività si traducono spesso in azioni collettive con proprietà che non sono la mera somma delle parti. I superorganismi spesso auto-organizzano le proprie attività secondo regole interne di interazione tra gli individui che li costituiscono. Tali regole, tuttavia, vengono eseguite utilizzando soltanto informazioni locali e l’effetto è l’emergere di proprietà complessive del sistema il cui ordine non deriva da direttive esterne: il sistema è quindi decentralizzato. È facile intuire che la comprensione della logica alla base di complessi processi collettivi (reperimento e trasporto cooperativo del cibo, costruzione di imponenti e complessi siti di nidificazione, organizzazione dell’emigrazione della colonia in nuovi siti, sistemi di difesa) possa rappresentare uno stimolante campo di studio i cui confini travalicano quelli della biologia.

Quali insetti sociali si studiano in particolare per comprendere le proprietà emergenti?

Gli insetti sociali più studiati al riguardo sono diverse specie di formiche, le api e alcune specie di termiti. Gli studiosi sono riusciti, per esempio, a capire le regole decisionali e i processi che regolano la costruzione dei loro nidi (a volte estremamente complessi) o la formazione delle piste di foraggiamento e i meccanismi che permettono un flusso organizzato del traffico al loro interno. Si stanno decifrando gli algoritmi decisionali alla base di alcune azioni collettive fondate sul raggiungimento di un “quorum” di consensi come la scelta del posto migliore in cui trasferire la colonia, o come funzionano i “team” di individui che cooperano allo svolgimento di compiti difficili (per esempio trasportare un carico il cui peso complessivo è superiore alla somma dei pesi massimi che gli individui potrebbero trasportare se ciascuno lavorasse singolarmente). Di particolare interesse, infine, è lo studio dei processi di “comunicazione di massa” in cui i segnali (generalmente di tipo chimico) acquistano particolari significati informativi solo a seguito dell’azione congiunta di molti individui.

Esistono già applicazioni pratiche?

Tutto ciò può essere sicuramente di aiuto nella comprensione di alcune caratteristiche di azioni collettive umane (dall’economia alla trasmissione delle informazioni e alla politica) in cui gli individui intenti a svolgere un compito influiscono sull’attività degli altri per mezzo dei prodotti o di sottoprodotti della loro azione. Inoltre proprio il concetto di superorganismo, con alcune sue proprietà quali la decentralizzazione e l’auto-organizzazione delle attività collettive e lo studio di reti di individui cooperanti che attuano programmi comportamentali flessibili, hanno suggerito nuovi schemi per la progettazione dei calcolatori. Sulla base di questi principi, gli algoritmi sviluppati da vari ricercatori (tra cui in prima linea l’italiano Marco Dorigo, ingegnere, che lavora all’Università di Bruxelles in stretta collaborazione con alcuni studiosi del comportamento delle formiche) hanno permesso di mettere a punto efficienti software utilizzati anche dall’industria in vari contesti, per esempio nello smistamento e distribuzione delle merci. Sempre in questo ambito, di particolare interesse applicativo è la realizzazione di piccoli robot che lavorano in “sciami” cooperando per la risoluzione di problemi che sarebbero impossibili per il singolo. Come si sa l’unione fa la forza.

Questi studi inoltre possono dare un utile contributo per comprendere meglio il modo con cui i neuroni interagiscono nel funzionamento di uno dei sistemi biologici più complessi che si conosca, il nostro cervello.

Si osservano comportamenti emergenti anche nei gruppi umani?

L’uomo fonda il suo vivere sociale su proprietà ben diverse da quelle degli insetti quali la capacità di introspezione, di empatia, di reciprocità, di rapida trasmissione culturale. Tuttavia, anche nella socialità umana, si possono manifestare fenomeni simili a quelli descritti prima. Infatti, sebbene gli individui possano agire singolarmente, le interazioni tra di loro e tra loro e l’ambiente possono comportare l’emergere di pattern complessi (come per esempio quelli che si verificano in ambito socio-politico ed economico). Oltre a ciò, tra i comportamenti umani più studiati e che presentano proprietà emergenti vi sono i movimenti legati al traffico e le modalità di aggregazione di individui in particolari circostanze. Infine, di particolare interesse è l’applicazione dei concetti di auto-organizzazione e proprietà emergenti a ricerche sul linguaggio umano.

Immagine: PloS Computational Biology

Stefano Dalla Casa
Giornalista e comunicatore scientifico, mi sono formato all’Università di Bologna e alla Sissa di Trieste. Scrivo abitualmente sull’Aula di Scienze Zanichelli, Wired.it, OggiScienza e collaboro con Pikaia, il portale italiano dell’evoluzione. Ho scritto col pilota di rover marziani Paolo Bellutta il libro di divulgazione "Autisti marziani" (Zanichelli, 2014). Su twitter sono @Radioprozac

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