Imagínate un hormiguero. ¿Qué ves? ¿Un pequeño montículo de arena y tierra que se desmorona asomando por el césped? ¿Un pequeño agujero que desaparece en el suelo? Unas cuantas hormigas revoloteando afanosamente. No es muy impresionante, ¿verdad?
Pero se deslizan 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 paracomida, y como vertederos para su basura. Estas no son solo madrigueras. Son ciudades subterráneas, algunas de ellas hogar de millones de personas, alcanzando hasta 25 pies bajo tierra, que a menudo duran décadas.
Este tipo de construcción sería una tarea 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 la minería, el metro o la agricultura subterránea, un equipo de investigadores de Caltech ha desentrañado uno de los secretos detrás de cómo las hormigas construyen estos increíblemente complejos yestructuras 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 Actas de la Academia Nacional de Ciencias .
¿Qué piensan 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 sonsimplemente cavando a ciegas?
"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 yPensé '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 estaban jugando al 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 esténseguro de sacar de la pila. Los bloques que no se pueden quitar, los que soportan la carga de la pila, se dice que son parte de las 'cadenas de fuerza' de la estructura, la colección de piezas atascadas entre sí por las fuerzascolocado sobre ellos.
"Hicimos la hipótesis de que las hormigas podían sentir estas cadenas de fuerza y evitaron cavar 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 un ingeniero, no un entomólogo alguien que estudia insectos, por lo que solicitó la ayuda de Joe Parker, profesor asistente de biología e ingeniería biológica, cuyola 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, había muchasde prueba y error involucrados en hacer que las hormigas excaven en pequeñas tazas de tierra que podrían 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 colocarcada taza. Aún así, las hormigas no siempre cooperaron con las propias prioridades de los investigadores.
"Son un poco caprichosos", dice Andrade. "Cavan cuando quieren. Pondríamos estas hormigas en un contenedor, y algunas empezarían a cavar de inmediato, y harían un progreso asombroso. 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 vasos pequeños y los tomarían rayos X utilizando una técnica que creaba un escaneo en 3-D de todos los túneles en el interior. Al tomar una serie de estos escaneos, dejaban que las hormigas trabajaran unUn 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.
Comprensión de 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 interioresde las copas, porque la copa en sí misma 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, muestra que las hormigas son muy eficientes en lo que hacen".
Las hormigas también cavaron sus túneles lo más empinado que pudieron, hasta lo que se conoce como el ángulo de reposo. Ese ángulo representa el ángulo más empinado en el que se puede apilar un material granular, un material hecho de granos individuales.antes de que se derrumbe. Para comprender el ángulo de reposo, imagínese 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. MásLa arena hará que la pila sea más alta, pero también más ancha, y nunca será más empinada. Por otro lado, si el niño usa arena húmeda, podrá apilar la arena lo suficientemente empinada para construir muros y torres, y todos losotras 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 que es único. Las hormigas, dice Andrade, pueden decir qué tan pronunciado es ese ángulo para lo que sea que 'están cavando 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 quitan los granos de tierra, sutilmente están causando 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 lahormigas para eliminarlas de forma segura.
"Ha sido un misterio tanto en ingeniería como en ecología de 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 esta fuerza circunferencialcadenas mientras cavan. "
¿Pero qué pasa con la pregunta central de la hipótesis del equipo? ¿Las hormigas son conscientes de lo que están haciendo cuando cavan?
Lo que las hormigas saben y no saben
"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 leyesde 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. Cómo ese programa de comportamiento se propaga a través de los diminutos cerebros de todas estas hormigas es una maravilla deel 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 hormigas para humanos.túneles de tamaño.
"Los materiales granulares se escalan de manera diferente a otros materiales como fluidos o sólidos", dice. "Puede pasar de experimentos en la 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 y es muy costoso y siempre se necesita un operador que maneje las máquinas", dice. "Esta sería la última frontera".
El financiamiento para la investigación fue proporcionado por una subvención de la Oficina de Investigación del Ejército de los Estados Unidos.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de California . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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