Las hormigas siguen las leyes de la física del suelo para construir túneles largos y resistentes.



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Las colonias de hormigas siguen las leyes de la física del suelo para construir túneles largos y resistentes, según reveló una investigación publicada en la revista. Actas de la Academia Nacional de Ciencias (PNAS). En el extraordinario hormiguero hay complejos túneles de más de un metro de largo, que duran décadas sin colapsar y están unidos entre sí. Los secretos de estas hormigas arquitectónicas fueron revelados por análisis de rayos X tridimensionales y modelos de computadora que observaron la posición y el movimiento de los animales durante las excavaciones.

José Andrade, primer autor de la publicación y director del Laboratorio de Geomecánica del Instituto Tecnológico de California, en Estados Unidos, (Caltech) explica vía email que la construcción de estas ciudades con complejas estructuras subterráneas en las que pueden vivir millones de hormigas es posible gracias a un algoritmo de comportamiento que ha sido adaptado y depurado con la evolución de los insectos y les permite cavar túneles instintivamente sin que toda la estructura se derrumbe. . «Nos inspiraron los hormigueros desenterrados que muestran lo grandes e impresionantes que son: ¡pueden ser del tamaño de una persona!» Andrade dice. Comprender y replicar estos algoritmos servirá en el futuro para crear robots mineros que simulen el funcionamiento de las hormigas y excaven el suelo de la Tierra y otros planetas sin riesgo de colapso.

Al principio de la investigación, Andrade y sus colegas creían que las hormigas «podrían determinar qué granos de tierra y arena quitar y cuáles no para asegurar la estabilidad de sus túneles», a través de algún tipo de aprendizaje, dice el científico. Sin embargo, al final del trabajo descubrieron que este comportamiento es inconsciente y está programado genéticamente. «Lo hacen sin saber realmente cómo hacerlo». Andrade dice que el algoritmo de comportamiento de las hormigas «les permite cavar túneles de acuerdo con las leyes de la física, haciéndolos más estables y al mismo tiempo más fáciles de construir y mantener».

Fuerzas granulares (líneas negras) en el mismo punto del suelo antes (izquierda) y después (derecha) de la excavación de un túnel de hormigas.
Fuerzas granulares (líneas negras) en el mismo punto del suelo antes (izquierda) y después (derecha) de la excavación de un túnel de hormigas.Caltech

Los investigadores encontraron que la forma en que las colonias construyen sus túneles permite que las cargas se redistribuyan y creen un mecanismo de protección que reduce el riesgo de colapso. «Parece que las hormigas están jugando Jenga sin saberlo ”, bromea Andrade refiriéndose al famoso juego de construcción en el que hay que intentar quitar piezas sin derribar la torre.

Robert Buarque de Macedo, investigador de Caltech y coautor del estudio, explica vía correo electrónico que las hormigas tienden a hacer túneles en línea recta, lo que las hace elegir la forma más rápida y eficiente de llegar, por ejemplo, a la habitación en la que se encuentran. en. la reina de la colonia duerme, o las habitaciones donde se crían las hormigas, o las pequeñas habitaciones donde se tira la basura y se almacena la comida. «Esto tiene sentido porque una línea recta es el camino más corto entre dos puntos», explica el investigador.

Buarque de Macedo insiste en que las hormigas también cavan en las paredes Túneles por debajo del ángulo de reposo del suelo, es decir, por debajo del ángulo más pronunciado posible antes de que el suelo se deslice. «Las hormigas pueden identificar qué tan empinado es el borde de ese ángulo para lo que sea que estén cavando y no lo superan», explica el investigador. Otra clave para una construcción exitosa es que a medida que hacen un túnel, forman arcos dentro del suelo que minimizan la fuerza y ​​la presión de la superficie. «Esto reduce la posibilidad de que el túnel colapse cuando las hormigas quitan o mueven una mota de tierra», explica el científico. Y añade: «es muy parecido a cómo funcionan los arcos romanos».

Arquitectura de nidos de hormigas cosechadoras de Florida, Pogonomyrmex badius
Arquitectura de nidos de hormigas cosechadoras de Florida, Pogonomyrmex badius Caltech

Los dos investigadores coinciden en que este comportamiento constructivo de los insectos es muy sorprendente. “Los seres humanos requieren mucha tecnología para mantener estables los túneles: pernos de roca, revestimientos, maquinaria pesada. Las hormigas no necesitan todo esto para cavar redes de túneles vastas y profundas «, dice Buarque de Macedo.

José Andrade explica que las hormigas no son los únicos buenos arquitectos del mundo animal. Las termitas construyen ciudades similares, las colmenas tienen estructuras impresionantes, los castores crean presas estables entre ríos caudalosos, los pájaros tejen nidos en las copas de los árboles que resisten el viento y la lluvia. “No entendemos cómo todo el mundo tiene algoritmos de comportamiento que les permiten construir estas maravillosas estructuras. Todavía tenemos miles de cosas que aprender de los animales ”, dice Andrade.

Los investigadores confiesan que disfrutaron trabajando con hormigas. «Luchamos mucho para que cooperaran con la investigación», bromea Andrade. “Resulta que las hormigas cavan cuando quieren cavar, no cuando tú quieres que caven. Muchas veces mirábamos con rayos X y las hormigas dejaban de cavar túneles y luego nosotros dejábamos de mirar y lo hacíamos de nuevo ”. Buarque de Macedo está de acuerdo: “Tuvimos que hacer muchos intentos para capturar las imágenes que tomamos. Esto hizo que la investigación fuera mucho más interesante y divertida «.

Además de los ingenieros, Joe Parker, profesor asistente de biología e ingeniería biológica, también participó en el trabajo. «Hasta ahora ha sido un misterio cómo las hormigas construyeron estas estructuras que pueden persistir en buenas condiciones durante décadas», dice Parker en un comunicado de prensa del Laboratorio de Geomecánica del Instituto de Tecnología de California. Según el investigador, el algoritmo de comportamiento que permite la construcción exitosa de los túneles y que los científicos han identificado con rayos X no existe dentro de una sola hormiga. «Es un comportamiento de colonia colectiva que surge de todas las hormigas obreras que actúan juntas como un superorganismo».

Andrade y Buarque de Macedo aseguran que con los resultados de este estudio esperan trabajar en un sistema de inteligencia artificial capaz de emular el algoritmo de comportamiento de las hormigas durante la excavación. El objetivo es crear robots que se puedan utilizar en las minas y así proteger la vida de miles de trabajadores que a menudo arriesgan su salud excavando profundamente en la tierra. Parte de esta emulación, dice Andrade, determinará 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. Y concluye: “¿El siguiente paso después? Hormigas robóticas que podrían hacer túneles para los humanos «.

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