<< error >> (our Markdown requires webpage links, not image links, see manual)

Slimme zwermen bacteriën inspireren robotica onderzoekers

Tot veel ergernis van de mens hebben bacteriën superieure overlevingsvaardigheden. Hun besluitvormingsprocessen en collectief gedrag stelt hen in staat om te gedijen en zelfs efficiënt te verspreiden in moeilijke omstandigheden.

Nu hebben onderzoekers van universiteit van Tel Aviv een computermodel ontworpen dat beter uitlegt hoe bacteriën bewegen in een zwerm en dit model kan worden toegepast op door de mens gemaakte technologieën waaronder computers, kunstmatige intelligentie, en robotica. Promovendus Adi Shklarsh met haar promotor prof. Eshel Ben-Jacob van TAU's Sackler School of Physics and Astronomy, Gil Ariel van de Bar Ilan University en Elad Schneidman van het Weizmann Institute of Science hebben ontdekt hoe bacteriën gezamenlijk informatie over hun omgeving verzamelen en een optimale weg vinden naar groei, zelfs in de meest complexe terreinen.

Het bestuderen van de principes van bacteriënnavigatie kan onderzoekers in staat stellen tot het ontwerpen vaneen nieuwe generaties van slimme robots die intelligente zwermen kunnen vormen, hulp in de ontwikkeling van medische microrobots. gebruikt voor de diagnose of om medicatie te verspreiden in het lichaam, of ‘decodering’ systemen die worden gebruikt in de sociale design netwerken en over het internet om informatie over consumentengedrag te verzamelen. Het onderzoek werd onlangs gepubliceerd in PLoS Computational Biology.

Een beetje bacteriële zelfvertrouwen

Bacteriën zijn niet de enige organismen die zich verplaatsen in zwermen, zegt Shklarsh. Vissen, bijen en vogels vertonen ook collectieve navigatie. Maar als eenvoudige organismen met minder geavanceerde receptoren zijn bacteriën niet zo goed uitgerust om te gaan met grote hoeveelheden informatie of ‘ruis’ in de complexe omgevingen waarin ze navigeren, zoals menselijk weefsel. De veronderstelling was, zegt ze, dat bacteriën in het nadeel zouden zijn ten opzichte van andere zwermende organismen.

Maar in een verrassende ontdekking vonden de onderzoekers dat, rekenkundig, bacteriën eigenlijk een superieure overlevingstactiek hebben en gemakkelijker ‘voedsel’ vinden en gevaar vermijden dan zwermen zoals amoebe of vis. Hun geheim? Een ruime hoeveelheid zelfvertrouwen.

Veel dierenzwermen, legt Shklarsh uit, kunnen worden geschaad door "foute positieve feedback", een vaak voorkomende bijwerking van het navigeren in complexe terreinen. Dit gebeurt wanneer een subgroep van de zwerm, op basis van verkeerde informatie, de hele groep in de verkeerde richting leidt. Maar bacteriën communiceren anders door middel van moleculaire, chemische en mechanische middelen en kunnen deze valkuil vermijden.

Op basis van het vertrouwen in hun eigen informatie en beslissingen "kunnen bacteriën hun interacties aanpassen aan hun soortgenoten”, zegt Ben-Jacob. "Wanneer een individuele bacterie een gunstiger pad vindt, besteed het minder aandacht aan de signalen van de andere cellen. Maar op andere momenten, bij het ontmoeten van uitdagende paden, zal de individuele cel de interactie verhogen met de andere cellen en leren van zijn soortgenoten. Aangezien elk van de cellen dezelfde strategie volgt is de groep als geheel in staat is om een optimaal traject te vinden in een uiterst complex terrein".

Profiteren van korte termijn geheugen

In het door de TAU onderzoekers ontwikkelde computermodel verminderde bacteriën de invloed van hun soortgenoten tijdens het navigeren in een gunstige richting, maar luisterde naar elkaar toen ze voelde dat ze faalden. Dit is niet slechts een superieure manier om te opereren, maar tevens een eenvoudige. Een dergelijk model laat zien hoe een zwerm optimaal kan presteren met slechts eenvoudige rekenkundige vaardigheden en korte termijn geheugen, zegt Shklarsh. Het is ook een principe dat gebruikt kan worden om nieuwe en efficiëntere technologieën te ontwerpen.

Robots zijn vaak nodig om in complexe omgevingen hun weg te vinden, zoals terreinen in de ruimte, diep in de zee, of de online wereld en onder elkaar over hun bevindingen te communiceren. Momenteel is dit gebaseerd op complexe algoritmen en datastructuren die een groot deel van de computercapaciteit gebruiken. Inzicht in de geheimen van bacteriënzwermen, concludeert Shklarsh, kan essentiële tips leveren voor het ontwerpen van een nieuwe generatie robots die geprogrammeerd zijn om regelbare interacties uit te voeren zonder een grote hoeveelheid data of geheugen in beslag te nemen.

www.aftau.org