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La ciencia de las ciudades subterráneas de las hormigas

hormiguero
Crédito: Pixabay / CC0 Public Domain

Imagina un hormiguero. ¿Que ves? ¿Un pequeño montículo de arena y tierra que se desmorona asomando por el césped? ¿Un pequeño agujero desapareciendo en el suelo? Unas cuantas hormigas revolotean afanosamente. No muy impresionante, ¿verdad?


por el Instituto de Tecnología de California


Pero deslízate debajo de la superficie y la simplicidad sobre el suelo da paso a la complejidad subterránea. Los túneles se sumergen hacia abajo, ramificándose y conduciendo a cámaras especializadas que sirven como hogar para la reina de la colonia, como viveros para sus crías, como granjas para hongos cultivados como alimento y como vertederos para su basura. Estas no son solo madrigueras. Son ciudades subterráneas, algunas de las cuales albergan a millones de personas, alcanzando hasta 25 pies bajo tierra, y a menudo duran décadas.

Este tipo de construcción sería una empresa impresionante para la mayoría de las criaturas, pero cuando la realizan animales que no crecen mucho más que una uña, es especialmente notable.

Ahora, impulsado por el deseo de mejorar nuestra propia capacidad para excavar bajo tierra, ya sea para minería, subterráneos o agricultura subterránea, un equipo de investigadores de Caltech ha desentrañado uno de los secretos detrás de cómo las hormigas construyen estas estructuras asombrosamente complejas y estables.

Dirigido por el laboratorio de José Andrade, profesor de Ingeniería Civil y Mecánica George W. Housner, el equipo estudió los hábitos de excavación de las hormigas y descubrió los mecanismos que las guían. La investigación se describe en un artículo publicado en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences .

¿Qué están pensando las hormigas (si es que piensan algo)?

Antes de comenzar esta investigación, Andrade, quien también es el presidente de liderazgo de Cecil y Sally Drinkward y director ejecutivo de ingeniería mecánica y civil, tenía una gran pregunta que quería responder: ¿las hormigas «saben» cómo cavar túneles, o simplemente lo hacen a ciegas ¿excavación?

«Me inspiraron estos nidos de hormigas exhumados donde vierten plástico o metal fundido en ellos y ves estos vastos sistemas de túneles que son increíblemente impresionantes», dice Andrade. “Vi una foto de uno de estos junto a una persona y pensé ‘Dios mío, qué estructura tan fantástica’. Y me pregunté si las hormigas ‘saben’ cavar «.

«No entrevistamos a ninguna hormiga para preguntarle si saben lo que están haciendo, pero comenzamos con la hipótesis de que excavan de manera deliberada», dice Andrade. «Teníamos la hipótesis de que tal vez las hormigas jugaban a Jenga».

Lo que quiere decir con «jugar a Jenga» es que el equipo sospechaba que las hormigas se estaban abriendo camino en la tierra, buscando granos sueltos de tierra para remover, de la misma manera que una persona que juega a Jenga busca bloques sueltos que sean seguros para sacar de la pila. Se dice que los bloques que no se pueden quitar, los que soportan la carga de la pila, son parte de las ‘cadenas de fuerza’ de la estructura, la colección de piezas atascadas entre sí por las fuerzas impuestas sobre ellas.

«Hicimos la hipótesis de que las hormigas podían sentir estas cadenas de fuerza y ​​evitar excavar allí», dice Andrade. «Pensamos que tal vez estaban extrayendo granos de tierra, y de esa manera podrían evaluar las fuerzas mecánicas sobre ellos».

Las hormigas hacen lo que quieren

Para aprender sobre las hormigas, el equipo necesitaba tener hormigas para estudiar. Pero Andrade es ingeniero, no entomólogo (alguien que estudia insectos), por lo que contó con la ayuda de Joe Parker, profesor asistente de biología e ingeniería biológica, cuya investigación se centra en las hormigas y sus relaciones ecológicas con otras especies.

«Lo que José y su equipo necesitaban era alguien que trabajara con hormigas y entendiera los comportamientos colectivos y adaptativos de estos insectos sociales para darles un contexto de lo que estaban haciendo», dice Parker.

Con Parker a bordo, el equipo comenzó a cultivar hormigas y a aprender a trabajar con ellas. Fue un proceso que tomó casi un año, dice Andrade. No solo necesitaban criar suficientes hormigas para trabajar, sino que hubo muchas pruebas y errores involucrados en hacer que las hormigas excavaran en pequeñas tazas de tierra que pudieran cargar en un generador de imágenes de rayos X. A través de ese trabajo, determinaron un tamaño óptimo de taza para usar y una cantidad ideal de hormigas para poner en cada taza. Aún así, las hormigas no siempre cooperaron con las propias prioridades de los investigadores.

«Son algo caprichosos», dice Andrade. «Cavan cuando quieren. Pondríamos estas hormigas en un contenedor, y algunas empezarían a cavar de inmediato, y harían un progreso increíble. Pero otras, serían horas y no cavarían en absoluto. Y algunos cavarían por un tiempo y luego se detendrían y tomarían un descanso «.

Pero una vez que las hormigas se pusieron en marcha, los investigadores tomarían los pequeños vasos y los tomarían rayos X utilizando una técnica que creaba un escaneo 3D de todos los túneles internos. Al tomar una serie de estos escaneos, dejando que las hormigas trabajen un poco entre cada uno, los investigadores pudieron crear simulaciones que mostraran el progreso que hicieron las hormigas a medida que extendían sus túneles cada vez más por debajo de la superficie.

Entendiendo la física de las hormigas

A continuación, el equipo de Andrade se dedicó a analizar qué estaban haciendo las hormigas mientras trabajaban, y surgieron algunos patrones. Por un lado, dice Andrade, las hormigas intentaron ser lo más eficientes posible. Eso significaba que cavaron sus túneles a lo largo de los bordes interiores de las copas, porque la copa en sí actuaría como parte de las estructuras de sus túneles, lo que resultaría en menos trabajo para ellos. También cavaron sus túneles lo más rectos posible.

«Eso tiene sentido porque una línea recta es el camino más corto entre dos puntos», dice Andrade. «Y con ellos aprovechando los lados del contenedor, demuestra que las hormigas son muy eficientes en lo que hacen».

Las hormigas también cavaron sus túneles tan abruptamente como pudieron, hasta lo que se conoce como el ángulo de reposo. Ese ángulo representa el ángulo más empinado que un material granular—Un material hecho de granos individuales— se puede apilar antes de que se derrumbe. Para comprender el ángulo del reposo, imagine a un niño construyendo un castillo de arena en la playa. Si el niño usa arena seca, cada cucharada de arena que agregue se deslizará por los lados de la pila que ya ha hecho. Más arena hará que la pila sea más alta, pero también más ancha, y nunca más empinada. Por otro lado, si el niño usa arena húmeda, podrá apilar la arena lo suficientemente empinada como para construir muros, torres y todas las demás cosas que podría tener un castillo de arena. La arena húmeda tiene un ángulo de reposo más alto que la arena seca, y cada material granular tiene un ángulo único. Las hormigas, dice Andrade, pueden decir qué tan empinado es ese ángulo para lo que sea que estén excavando, y no lo exceden. Eso también tiene sentido, dice.

«Si soy un excavador y voy a sobrevivir, mi técnica de excavación se alineará con las leyes de la física, de lo contrario, mis túneles colapsarán y yo moriré», dice.

Finalmente, el equipo descubrió algo sobre la física de los túneles de hormigas que algún día podría ser útil para los humanos.

A medida que las hormigas eliminan los granos de tierra, sutilmente están provocando un reordenamiento en las cadenas de fuerza alrededor del túnel. Esas cadenas, algo aleatorias antes de que las hormigas comiencen a cavar, se reorganizan alrededor del exterior del túnel, como un capullo o revestimiento. Mientras lo hacen, suceden dos cosas: 1.) las cadenas de fuerza fortalecen las paredes existentes del túnel y 2.) las cadenas de fuerza alivian la presión de los granos al final del túnel donde las hormigas están trabajando, lo que facilita la tarea de hormigas para eliminarlas de forma segura.

«Ha sido un misterio tanto en la ingeniería como en la ecología de las hormigas cómo las hormigas construyen estas estructuras que persisten durante décadas», dice Parker. «Resulta que al eliminar los granos en este patrón que observamos, las hormigas se benefician de estas cadenas de fuerza circunferenciales mientras excavan».

Pero, ¿qué pasa con la pregunta central de la hipótesis del equipo? ¿Las hormigas son conscientes de lo que hacen cuando cavan?

¿Qué saben y qué no saben las hormigas?

«Lo que descubrimos fue que no parecían ‘saber’ lo que estaban haciendo», dice Andrade. «No buscaron sistemáticamente puntos blandos en la arena. Más bien, evolucionaron para excavar de acuerdo con las leyes de la física».

Parker llama a esto un algoritmo de comportamiento.

«Ese algoritmo no existe dentro de una sola hormiga», dice. «Es este comportamiento de colonia emergente de todos estos trabajadores actuando como un superorganismo. La forma en que ese programa de comportamiento se difunde en los diminutos cerebros de todas estas hormigas es una maravilla del mundo natural para el que no tenemos explicación».

Andrade dice que espera comenzar a trabajar en un enfoque de inteligencia artificial que pueda emular ese algoritmo de comportamiento para poder simular cómo las hormigas cavan en una computadora. Parte de esa emulación, dice Andrade, será determinar cómo escalar la física de las hormigas para túneles de tamaño humano.

«Los materiales granulares se escalan de diferentes maneras que otros materiales como fluidos o sólidos», dice. «Se puede pasar de los experimentos a escala de grano, en este caso unos pocos milímetros, a la escala de metro, escalando el coeficiente de fricción intergranular».

¿El siguiente paso después de eso? Hormigas robóticas que podrían cavar túneles para humanos.

«Mover materiales granulares consume mucha energía, es muy caro y siempre se necesita un operador que maneje las máquinas», dice. «Esta sería la última frontera».

El artículo que describe la investigación, titulado «Descubriendo la mecánica de los túneles de hormigas 3D en tiempo real», aparece en la edición del 23 de agosto de la revista Proceedings of the National Academy of Sciences .



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