Вчені з'ясували, що для збільшення швидкості риття вузьких тунелів у землі мурахи готові відступити назад і перечекати, поки їхні сородичі з частинками ґрунту виберуться назовні. Така схема поведінки дозволяє не створювати в тунелях заторів і значно підвищує ефективність роботи. Описавши цю модель поведінки математично, вчені запрограмували на подібну поведінку невеликих роботів, що допомогло збільшити швидкість транспортування вантажів за допомогою них. У майбутньому аналогічні схеми можна використовувати для запобігання заторам і на автомобільних дорогах, пишуть вчені в.
Часто для вирішення повсякденних проблем вчені вдаються до фізичного моделювання або пошуку несподіваних наукових аналогій. Типовий приклад такого підходу - опис заторів на дорогах. Наприклад, відомо, що при певній концентрації рухомих машин іноді затори починають виникати там, де їх в принципі бути не повинно. Щоб зрозуміти, через що виникають такі ситуації і як з ними боротися, фізики пропонують використовувати гідродинамічні та статистичні моделі. Інші вчені пропонують стежити за тим, як в умовах великої щільності поводяться рої роботів, які за певними правилами рухаються по поверхні, не керуючись при цьому з центру, а домовляючись між собою.
Вчені з США і Німеччини під керівництвом Деніела Голдмана (Daniel I. Goldman) з Технологічного інституту Джорджії виявили, що допомогти в цій ситуації можуть не тільки штучні моделі і теоретичні оцінки з інших наук, але і спостереження за тваринами, які успішно вирішують аналогічні проблеми в природному середовищі. У дослідженні автори роботи спостерігали за колоніями мурашок, яким регулярно потрібно переповзати з одного місця в інше через досить вузькі проходи або тунелі (наприклад при будівництві мурашника).
Вчені провели експеримент з вогняними мурахами виду, колонії яких (чисельністю до 30 особин) поміщали в контейнер з модельним ґрунтом, що складається зі скляних частинок діаметром від 200 до 300 мікрометрів. У цьому «ґрунті» комахи починали рити мурашник, що складається з системи тунелів. Під час риття мурахам потрібно було весь час виносити тверді частинки назовні, тому їм доводилося постійно мінятися місцями, створюючи в кінці тунелів затори.
Виявилося, що мурахи можуть підлаштовуватися під умови, що змінюються: якщо мураха бачить, що дорогу до наступної порції ґрунту перегороджують інші комахи, то він відходить назад, даючи сородичам вибратися назовні, а вже потім сам забирається в тунель. Через прозорі стінки контейнера вчені спостерігали за тим, як росте довжина цих тунелів з плином часу, розфарбувавши брюшко кожного з мурахів своїм кольором, щоб краще розрізняти комах між собою. Виявилося, що пропускання сородичів у вузьких місцях дозволяє прискорити колективне риття - копати втрьох виходить швидше, ніж одному.
Насправді, цей ефект не такий очевидний, як здається на перший погляд. Щоб оцінити ефективність підходу, який використовують мурахи при риття, вчені побудували математичну модель, яка дає можливість активному елементу відступити назад і почекати. Цю модель вчені отримали, змінивши параметри розподілу Лоренца, яким описувалися швидкості частинок, і порівняли результати розрахунку з даними моделі, в якій всі елементи ведуть себе однаковим чином. Виявилося, що поведінка з можливістю «відступити і вичекати» виявляється виграшною в порівнянні з «бездумними» спробами завжди ломитися вперед. При цьому другий варіант програє і копанню тунелів поодинці - саме через це у вузьких проходах утворюються затори, з яких складно вибратися.
Підтвердження цим оцінкам вчені виявили і в модельній системі, в якій кілька невеликих роботів намагалися перенести по вузькому проходу невеликі частинки з однієї частини майданчика в іншу. Виявилося, що повільніше всього із завданням справляється група роботів, які в будь-якій ситуації рухаються вперед, швидше за них частинки перетягує один робот, а найшвидше це роблять кілька роботів, які готові поступитися один одному місцем. Такий підхід виявляється ефективнішим для систем, в яких число роботів більше трьох, - саме в них з'являються перші пробки.
За словами авторів дослідження, надалі отримані ними дані можуть використовуватися для розробки моделей поведінки роїв роботів, що дозволяють уникнути утворення заторів в обмежених просторах. А використані математичні моделі можуть використовуватися для збільшення середньої швидкості дорожнього руху, в тому числі і за участю безпілотних автомобілів.
Це далеко не перший раз, коли рух тварин вчені використовують в якості модельної системи для дослідження поведінки натовпу або інших в просторах з обмеженою геометрією. Наприклад, нещодавно група іспанських фізиків вивчила, як стадо овець проходить через вузькі ворота і як при цьому утворюються затори. На відміну від мурашок, вівці не відступають назад, даючи пройти іншим, тому рух стада відбувається ривками і перериваються періодичними зупинками. Така система може бути моделлю для розробки правил евакуації людей у надзвичайних ситуаціях.