L'algorithme simple que les fourmis utilisent pour construire des ponts

Même sans personne pour les diriger, les fourmis légionnaires travaillent en groupe pour construire des ponts avec leurs corps. De nouvelles recherches révèlent les règles simples qui conduisent à un comportement de groupe aussi complexe.

Les fourmis légionnaires forment des colonies de plusieurs millions d'individus, mais n'ont pas de foyer permanent. Elles traversent la jungle chaque nuit à la recherche de nouveaux lieux de recherche de nourriture. En chemin, elles accomplissent des prouesses logistiques qui feraient la fierté d'un général quatre étoiles, notamment la construction de ponts avec leur propre corps.

Tout comme les essaims de robots bon marché et stupides que j’ai étudiés dans mon récent article, les fourmis légionnaires gèrent cette coordination sans chef et avec des ressources cognitives minimales. Une fourmi légionnaire individuelle est pratiquement aveugle et possède un cerveau minuscule qui ne peut pas même commencer à comprendre leur mouvement collectif élaboré. " Il n’y a pas de chef, pas de fourmi architecte qui dit ‘nous devons construire ici’ ", a déclaré Simon Garnier , directeur du Swarm Lab au New Jersey Institute of Technology et co-auteur d’une nouvelle étude qui prédit quand une colonie de fourmis légionnaires décidera de construire un pont.

L’étude de Garnier permet d’expliquer non seulement comment les fourmis non organisées construisent des ponts, mais aussi comment elles accomplissent la tâche encore plus complexe qui consiste à déterminer quels ponts valent la peine d’être construits.

(vidéo : Alors que l'écart s'élargit lentement, un pont de fourmis armée s'effondre puis se rétablit.)

Pour comprendre comment cela se déroule, prenons le point de vue d’une fourmi en marche. Lorsqu’elle rencontre un obstacle sur son chemin, elle ralentit. Le reste de la colonie, qui avance toujours à 12 centimètres par seconde lui marche dessus. À ce stade, deux règles simples s’appliquent.

La première dicte à la fourmi que lorsqu’elle sent d’autres fourmis marcher sur son dos, elle doit se figer. " Tant que quelqu’un te marche dessus, tu restes immobile ", explique Garnier.

Le même processus se répète chez les autres fourmis : elles enjambent la première fourmi, mais — oh, oh — l’espace est toujours là, donc la fourmi suivante ralentit, se fait piétiner et se fige sur place. De cette façon, les fourmis construisent un pont suffisamment long pour enjamber l’espace qui se trouve devant elles. Les fourmis qui suivent dans la colonie peuvent alors marcher dessus.

Mais ce n’est pas tout. Les ponts impliquent des compromis. Imaginez qu’une colonie de fourmis se retrouve face à un trou en forme de V sur son chemin. La colonie ne veut pas faire le tour complet du trou – cela prendrait trop de temps – mais elle ne construit pas non plus de pont sur la partie la plus large du trou, ce qui minimiserait la distance à parcourir par la colonie. Le fait que les fourmis légionnaires ne construisent pas toujours le pont qui minimise la distance suggère qu’il existe un autre facteur dans leur calcul inconscient.

(Photo : un contour- espace en forme de V offre aux fourmis un compromis : un chemin plus direct nécessitera plus de fourmis pour le construire.)

" En écologie, quand on voit quelque chose de ce genre, cela signifie généralement qu'il y a un rapport coût-bénéfice ", explique Garnier. " On essaie de comprendre : quel est le bénéfice et quel est le coût ? "

Selon les écologistes, le prix à payer est que les fourmis piégées dans les ponts ne sont pas disponibles pour d’autres tâches, comme la recherche de nourriture. À tout moment au cours d’une marche, une colonie peut entretenir entre 40 et 50 ponts - avec une seule fourmi et jusqu’à 50 fourmis par pont. Dans un article de 2015 , Garnier et ses collègues ont calculé que jusqu’à 20 % de la colonie peut être occupée dans des ponts à la fois. À ce stade, un itinéraire plus court ne vaut tout simplement pas les fourmis supplémentaires qu’il faudrait pour créer un pont plus long.

Sauf que, bien sûr, les fourmis individuelles n’ont aucune idée du nombre de leurs congénères qui se maintiennent dans un tel  pont-passage. Et c’est là qu’entre en jeu la deuxième règle. Lorsque les fourmis individuelles exécutent l’algorithme de " pontage ", elles sont sensibles à la bousculade. Lorsque le trafic sur leur dos dépasse un certain niveau, elles restent en place, mais lorsque ce niveau descend en dessous d’un certain seuil – peut-être parce que trop d’autres fourmis sont maintenant occupées à construire elles-mêmes un pont – la fourmi se débloque et rejoint la marche.

Cette nouvelle étude est le résultat d'expériences menées sur des fourmis légionnaires dans la jungle panaméenne en 2014. Sur la base de ces observations, les chercheurs ont créé un modèle qui quantifie la sensibilité des fourmis au passage des piétons et prédit quand une colonie franchira un obstacle et quand elle décidera, en quelque sorte, qu'il vaut mieux faire le tour.

" Nous essayons de déterminer si nous pouvons prédire dans quelle mesure les fourmis prendront des raccourcis en fonction de la géométrie de leur environnement ", a déclaré Garnier.

L'évolution semble avoir doté les fourmis armées de l'algorithme idéal pour construire des ponts à la volée. Les chercheurs qui travaillent à la construction d'essaims de robots simples cherchent encore les instructions qui permettront à leurs machines bon marché d'accomplir des prouesses similaires. L'un des défis auxquels ils doivent faire face est que la nature fabrique des fourmis de manière plus fiable et à moindre coût que les humains ne peuvent fabriquer des robots-essaims, dont les batteries ont tendance à s'épuiser. Le deuxième défi est qu'il est très possible que le comportement des fourmis armées soit régi par d'autres règles que les deux simples exemples décrits ici.

" Nous décrivons les fourmis légionnaires comme des êtres simples, mais nous ne comprenons même pas ce qu'elles font. Oui, elles sont simples, mais peut-être pas aussi simples qu'on le pense ", a déclaré Melvin Gauci , chercheur à l'Université de Harvard qui travaille sur la robotique en essaim.