Myror kan lära människan planera infrastruktur

Genom att använda matematiska modeller och fältdata har forskare vid matematiska institutionen vid Uppsala universitet funnit de grundläggande regler som tillåter myror att bygga effektiva och ”billiga” transportnätverk utan att överge dess robusta kvaliteter. Studien publiceras nu i den vetenskapliga tidskriften Royal Society Interface.

Vi lever i en värld som i hög grad är sammanlänkad på olika sätt. Idag är transportnätverk grundläggande för att flytta resurser och information från en punkt till en annan, från en person till en annan. Varje dag reser vi på vägar och använder elektricitet och vatten som transporteras från verk långt borta. Vi kopplar upp oss på Internet och läser om nyheter som rapporterats från andra sidan världen.

Idealiskt sätt skulle vi vilja kunna resa den kortaste möjliga vägen mellan städer, men ibland måste vi ta långa omvägar. De som jobbar med att planera infrastruktur försöker bygga system som är effektiva och robusta, men inte alltför dyra. Det gäller att hitta den bästa kompromissen mellan dessa konkurrerande mål.

I jakten på inspiration har forskare vänt sig till naturen för att observera den spontana formationen av naturliga transportnätverk, från myrstigar till bladnerver. En två år lång fältstudie försåg nyligen forskare med ett dataset som består av ett flertal stig-nätverk byggda av den Australiska myran Iridomyrmex purpureus (Australian meat ant) för att koppla samman bon spridda över ett stort territorium.

- Det häpnadsväckande med dessa myror är att de inte förlitar sig på ingenjörskonst för att planera sina nätverk men ändå lyckas hitta en specifik balans mellan snålhet, effektivitet och robusthet, säger Tanya Latty, forskare i biologi vid University of Sydney.

Forskare från institutionen för matematik vid Uppsala universitet har utvecklat en modell för att förstå hur dessa nätverk har skapats. Genom att använda data och numeriska simulationen kunde de identifiera en generell mekanism för lokal kostnadsminimering som den grundläggande regeln som leder till balans mellan konkurrerande designmål. Studien visade att när myrorna bygger ett nytt bo så kopplar de samman det med det närmsta existerande boet och möjligen med ett träd, eftersom det är där myrorna hittar sin mat, om det inte är för långt bort.

- Efter att vi sett hur naturen gör har vi försökt tillämpa samma enkla regler för att se vad som skulle hända med ett system designat av människan, elektriska kraftnät till exempel, om de hade varit byggda av dessa myror, säger Arianna Bottinelli, doktorand i matematik vid Uppsala universitet.

Det visar sig att vid bygget av en ny förort så är det tillräckligt att koppla samman den med det närmsta stadsområdet för att försäkra sig om att hela el-nätverket blir relativt billigt men också effektivt i det långa loppet. Robustheten kan ökas eller minskas genom att ändra frekvensen för hur nya förorter kopplas till service center, i detta exempel till elkraftverk.

- Studien är ytterligare sett steg mot att förstå naturen och en ansats att använda det vi observerar där för att förbättra designen av system skapade av människan, säger David J.T. Sumpter, professor vid institutionen för matematik vid Uppsala universitet.

För mer information kontakta Arianna Bottinelli: e-post: Arianna.bottinelli@math.uu.se eller telefon: 070-823 63 94

Bottinelli A, van Wilgenburg E, Sumpter DJT, Latty T. 2015 Local cost minimization in ant transport networks: from small-scale data to large-scale trade-offs. J. R. Soc. Interface 20150780. http://dx.doi.org/10.1098/rsif.2015.0780