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| Photo by Matheus Queiroz on Unsplash |
Imagina un hormiguero. ¿Qué ve? ¿Un pequeño montículo de arena y tierra desmenuzada que asoma por el césped? ¿Un pequeño agujero que desaparece en el suelo? Unas cuantas hormigas revolviéndose afanosamente. No es muy impresionante, ¿verdad?
Pero si nos deslizamos bajo la superficie, la simplicidad de la superficie da paso a la complejidad subterránea. Los túneles se sumergen hacia abajo, se ramifican y conducen a cámaras especializadas que sirven de hogar para la reina de la colonia, como guarderías para sus crías, como granjas de hongos cultivados para la alimentación y como vertederos para su basura. No son sólo madrigueras. Son ciudades subterráneas, algunas de las cuales albergan a millones de individuos, que llegan a alcanzar los 7 metros bajo tierra y que 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 son mucho más grandes que una uña, es especialmente notable.
Ahora, impulsado por el deseo de mejorar nuestra propia capacidad de excavar bajo tierra -ya sea para la minería, el metro o la agricultura subterránea-, un equipo de investigadores del Caltech ha desvelado uno de los secretos que se esconden detrás de cómo las hormigas construyen estas estructuras increíblemente complejas y estables.
Dirigido por el laboratorio de José Andrade, profesor George W. Housner de Ingeniería Civil y Mecánica, el equipo estudió los hábitos de excavación de las hormigas y descubrió los mecanismos que los guían. La investigación se describe en un artículo publicado en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences.
¿Qué piensan las hormigas (si es que piensan algo)?
Antes de comenzar esta investigación, Andrade, que también es el titular de la Cátedra de Liderazgo Cecil y Sally Drinkward y Director de Ingeniería Mecánica y Civil, tenía una gran pregunta que quería responder: ¿Las hormigas "saben" cavar túneles o simplemente cavan a ciegas?
"Me inspiré en estos nidos de hormigas exhumados en los que se vierte plástico o metal fundido y se ven estos vastos sistemas de túneles que son increíblemente impresionantes", dice Andrade. "Vi una foto de uno de ellos junto a una persona y pensé: 'Dios mío, qué estructura tan fantástica'. Y llegué a preguntarme si las hormigas 'saben' cavar".
"No entrevistamos a ninguna hormiga para preguntarle si sabe lo que hace, pero sí partimos de la hipótesis de que excava de forma deliberada", dice Andrade. "Hicimos la hipótesis de que tal vez las hormigas estaban jugando al Jenga".
Lo que quiere decir con "jugar al Jenga" es que el equipo sospecha que las hormigas están tanteando el terreno, buscando granos de tierra sueltos para quitarlos, de forma muy parecida a como una persona que juega al Jenga comprueba si hay bloques sueltos que son seguros para sacar de la pila. Los bloques que no se pueden retirar -los que soportan la carga de la pila- forman parte de las "cadenas de fuerza" de la estructura, el conjunto de piezas atascadas por las fuerzas que se ejercen sobre ellas.
"Nuestra hipótesis era que las hormigas podían percibir estas cadenas de fuerza y evitaban cavar allí", dice Andrade. "Pensamos que tal vez estuvieran golpeando granos de tierra, y de esa manera podían evaluar las fuerzas mecánicas sobre ellos".
Las hormigas hacen lo que quieren
Para aprender sobre las hormigas, el equipo necesitaba tener hormigas que estudiar. Pero Andrade es ingeniero, no entomólogo (alguien que estudia los insectos), así que pidió la ayuda de Joe Parker, profesor adjunto 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 empezó a cultivar hormigas y a aprender a trabajar con ellas. Fue un proceso que llevó casi un año, dice Andrade. No sólo tuvieron que criar suficientes hormigas para trabajar con ellas, sino que hubo que hacer muchas pruebas y errores para conseguir que las hormigas cavaran en pequeños vasos de tierra que pudieran cargar en un aparato de rayos X. Gracias a ese trabajo, determinaron el tamaño óptimo de la taza y el número ideal de hormigas que debían poner en cada taza. Sin embargo, las hormigas no siempre cooperaron con las prioridades de los investigadores.
"Son un poco caprichosas", dice Andrade. "Cavan cuando quieren. Ponemos a estas hormigas en un recipiente y algunas empiezan a cavar de inmediato y hacen un progreso increíble. Pero otras, pasaban horas y no cavaban en absoluto. Y algunas cavaban durante un tiempo y luego se detenían y se tomaban un descanso".
Pero una vez que las hormigas se ponían en marcha, los investigadores tomaban las pequeñas tazas y las radiografiaban mediante una técnica que creaba un escaneo en 3D de todos los túneles del interior. Tomando una serie de estos escaneos, dejando que las hormigas trabajaran un poco entre cada uno, los investigadores podían crear simulaciones que mostraban el progreso que hacían las hormigas a medida que extendían sus túneles cada vez más por debajo de la superficie.
Comprender la física de las hormigas
A continuación, el equipo de Andrade se puso a analizar lo que las hormigas hacían realmente mientras trabajaban, y surgieron algunos patrones. Por un lado, dice Andrade, las hormigas trataban de ser lo más eficientes posible. Eso significaba que cavaban sus túneles a lo largo de los bordes interiores de las tazas, porque la propia taza actuaba como parte de la estructura de sus túneles, lo que les suponía menos trabajo. También cavaron los túneles lo más rectos posible.
"Eso tiene sentido porque una línea recta es el camino más corto entre dos puntos", dice Andrade. "Y con ellas aprovechando los lados del contenedor, se demuestra que las hormigas son muy eficientes en lo que hacen".
Las hormigas también cavaron sus túneles con la mayor inclinación posible, hasta lo que se conoce como ángulo de reposo. Este ángulo representa el ángulo más pronunciado en el que se puede apilar un material granular -un material hecho de granos individuales- antes de que se derrumbe. Para entender el ángulo de reposo, imagine a un niño construyendo un castillo de arena en la playa. Si el niño utiliza arena seca, cada cucharada de arena que añada se deslizará por los lados del montón que ya ha hecho. Más arena hará que el montón sea más alto, pero también más ancho, y nunca será más empinado. En cambio, si el niño utiliza arena húmeda, podrá apilar la arena con la suficiente inclinación para construir muros, torres y todo lo que puede tener un castillo de arena. La arena húmeda tiene un ángulo de reposo mayor que la seca, y cada material granular tiene un ángulo que le es propio. Las hormigas, dice Andrade, pueden saber cuál es el ángulo de inclinación de lo que están excavando, y no lo sobrepasan. Eso también tiene sentido, dice.
"Si soy un excavador, y voy a sobrevivir, mi técnica de excavación va a alinearse con las leyes de la física, de lo contrario mis túneles van a colapsar y voy a morir", dice.
Finalmente, el equipo descubrió algo sobre la física de los túneles de las hormigas que algún día podría ser útil para los humanos.
Cuando las hormigas remueven granos de tierra, provocan sutilmente un reordenamiento de las cadenas de fuerza alrededor del túnel. Esas cadenas, algo aleatorias antes de que las hormigas empiecen a cavar, se reorganizan alrededor del exterior del túnel, como una especie de capullo o forro. Al hacerlo, ocurren dos cosas 1.) las cadenas de fuerza refuerzan 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 que las hormigas los retiren con seguridad.
"Ha sido un misterio tanto en la ingeniería como en la ecología de las hormigas cómo éstas 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 circunferencial mientras cavan hacia abajo".
Pero, ¿qué pasa con la cuestión central de la hipótesis del equipo? ¿Son las hormigas conscientes de lo que hacen cuando cavan?
Lo que las hormigas saben y no saben
"Lo que descubrimos fue que no parecían 'saber' lo que están haciendo", dice Andrade. "No buscaban sistemáticamente puntos blandos en la arena. Más bien, evolucionaron para cavar según 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 emergente de la colonia de todas estas obreras que actúan como un superorganismo. Cómo ese programa de comportamiento se extiende por los diminutos cerebros de todas estas hormigas es una maravilla del mundo natural para la que no tenemos explicación."
Andrade dice que espera empezar a trabajar en un enfoque de inteligencia artificial que pueda emular ese algoritmo de comportamiento para poder simular cómo cavan las hormigas en un ordenador. Parte de esa emulación, dice Andrade, será determinar cómo escalar la física de las hormigas para los túneles de tamaño humano.
"Los materiales granulares se escalan de forma diferente a otros materiales como los fluidos o los 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 los humanos.
"Mover materiales granulares requiere mucha energía, es muy caro y siempre se necesita un operario allí manejando las máquinas", dice. "Esta sería la última frontera".
Fuentes, créditos y referencias:
Unearthing real-time 3D ant tunneling mechanics, Proceedings of the National Academy of Sciences (2021). doi.org/10.1073/pnas.2102267118