Una nueva investigación explora cómo las hormigas construyen sus complejos, pero estables, nidos subterráneos.
El trabajo surgió del deseo de mejorar nuestra propia excavación de túneles subterráneos.
Se espera poder aplicar la "física de las hormigas" a proyectos de construcción de tamaño humano.
Imagine un hormiguero. ¿Qué ve? ¿Un pequeño montículo de arena y tierra desmenuzable que asoma por el césped? ¿Un pequeño orificio que desaparece en el suelo? ¿Unas cuantas hormigas que corretean atareadas? No muy impresionante, ¿verdad?
Pero basta con deslizarse bajo la superficie para que la sencillez de lo que está sobre el suelo dé paso a una complejidad subterránea. Los túneles se hunden, se ramifican y conducen a cámaras especializadas que sirven de hogar para la reina de la colonia, de guarderías para sus crías, de granjas para los hongos que se cultivan como alimento y de vertederos para sus desechos. No se trata solo de madrigueras. Son ciudades subterráneas, algunas de las cuales albergan a millones de individuos, que se extienden hasta 25 pies 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 la uña de un dedo, resulta 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 de cómo las hormigas construyen estas estructuras asombrosamente complejas y estables.
Dirigido por el laboratorio de Jose Andrade, George W. Housner Professor de Ingeniería Civil y Mecánica, 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 piensan las hormigas (si es que piensan algo)?
Antes de iniciar esta investigación, Andrade, que también es Cecil and Sally Drinkward Leadership Chair y director ejecutivo de Ingeniería Mecánica y Civil, tenía una gran pregunta que quería responder: ¿Las hormigas "saben" cómo excavar túneles o simplemente excavan a ciegas?
"Me inspiré en estos nidos de hormigas exhumados, en los que vierten plástico o metal fundido y se ven estos vastos sistemas de túneles que son increíblemente impresionantes", dice Andrade. "Vi una fotografía de uno de ellos junto a una persona y pensé: 'Dios mío, qué estructura tan fantástica'. Y me puse a preguntarme si las hormigas 'saben' cómo excavar."
"No entrevistamos a ninguna hormiga para preguntarles si saben lo que hacen, pero sí partimos de la hipótesis de que excavan de forma deliberada", dice Andrade. "Planteamos que quizá las hormigas estaban jugando al Jenga."
Cuando dice "jugar al Jenga", se refiere a que el equipo sospechaba que las hormigas se orientaban por la tierra, buscando granos de suelo sueltos que retirar, de forma muy parecida a como una persona que juega al Jenga comprueba qué bloques sueltos puede sacar de la torre sin riesgo. Los bloques que no pueden retirarse, es decir, los que soportan la carga de la torre, se denominan parte de las "cadenas de fuerza" de la estructura, el conjunto de piezas encajadas entre sí por las fuerzas que actúan sobre ellas.
"Planteamos que las hormigas podían percibir estas cadenas de fuerza y evitaban excavar allí", dice Andrade. "Pensamos que quizá golpeaban los granos de suelo y que de esa forma podían evaluar las fuerzas mecánicas que actúan sobre ellos."
Las hormigas hacen lo que quieren
Para estudiar a las hormigas, el equipo necesitaba tenerlas a su disposición. 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 Jose y su equipo necesitaban era alguien que trabajara con hormigas y comprendiera los comportamientos adaptativos y colectivos de estos insectos sociales, para darles contexto sobre 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 duró casi un año, afirma Andrade. No solo tuvieron que criar suficientes hormigas con las que trabajar, sino que hubo mucho ensayo y error para conseguir que las hormigas excavaran en pequeños vasos de tierra que pudieran cargarse en un generador de imágenes de rayos X. Gracias a ese trabajo, determinaron el tamaño óptimo de vaso que debían usar y el número ideal de hormigas que debían colocar en cada uno. Aun así, las hormigas no siempre cooperaban con las prioridades de los propios investigadores.
"Son algo caprichosas", dice Andrade. "Excavan cuando quieren. Metíamos estas hormigas en un recipiente y algunas empezaban a excavar enseguida y hacían un progreso asombroso. Pero otras pasaban horas sin excavar en absoluto. Y algunas excavaban un rato, luego se paraban y descansaban."
Pero una vez que las hormigas se ponían en marcha, los investigadores tomaban los pequeños vasos y los escaneaban con rayos X mediante una técnica que creaba un escaneo 3D de todos los túneles del interior. Mediante una serie de estos escaneos, dejando que las hormigas trabajaran un poco entre uno y otro, los investigadores podían crear simulaciones que mostraban el progreso de las hormigas al ampliar sus túneles cada vez más por debajo de la superficie.
Comprender la física de las hormigas
A continuación, el equipo de Andrade se dedicó a analizar lo que hacían realmente las hormigas mientras trabajaban, y surgieron algunos patrones. Por un lado, afirma Andrade, las hormigas intentaban ser lo más eficientes posible. Esto significaba que excavaban sus túneles a lo largo de los bordes interiores de los vasos, porque el propio vaso actuaba como parte de la estructura de sus túneles, lo que suponía menos trabajo para ellas. También excavaban sus túneles lo más rectos posible.
"Tiene sentido, porque la línea recta es el camino más corto entre dos puntos", dice Andrade. "Y al aprovechar los lados del recipiente, se demuestra que las hormigas son muy eficientes en lo que hacen."
Las hormigas también excavaban sus túneles con la mayor inclinación posible, hasta lo que se conoce como ángulo de reposo. Ese ángulo representa la inclinación máxima que puede alcanzar un material granular, un material formado por granos individuales, antes de derrumbarse.
Para entender el ángulo de reposo, imagine a un niño construyendo un castillo de arena en la playa. Si el niño usa arena seca, cada puñado que añada resbalará 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 usa arena húmeda, podrá apilarla con suficiente inclinación para construir muros, torres y todo lo demás que pueda tener un castillo de arena. La arena húmeda tiene un ángulo de reposo mayor que la seca, y cada material granular tiene un ángulo propio. Según Andrade, las hormigas pueden saber cuán empinado es ese ángulo para el material en el que están excavando, y no lo superan. Eso también tiene sentido, afirma.
"Si soy un excavador y voy a sobrevivir, mi técnica de excavación tendrá que ajustarse a las leyes de la física; de lo contrario, mis túneles se derrumbarán y moriré", afirma.
Por último, el equipo descubrió algo sobre la física de los túneles de las hormigas que algún día podría ser útil para los seres humanos.
Cuando las hormigas retiran granos de tierra, provocan sutilmente una reordenación de las cadenas de fuerza alrededor del túnel. Esas cadenas, algo aleatorias antes de que las hormigas empiecen a excavar, se reorganizan alrededor del exterior del túnel, a modo de capullo o revestimiento. 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 situados al final del túnel, donde trabajan las hormigas, lo que les facilita retirarlos con seguridad.
"Ha sido un misterio tanto en la ingeniería como en la ecología de las hormigas cómo construyen estas estructuras que perduran durante décadas", dice Parker. "Resulta que, al retirar los granos siguiendo el patrón que observamos, las hormigas se benefician de estas cadenas de fuerza circunferenciales a medida que excavan hacia abajo."
Pero, ¿qué ocurre con la pregunta central de la hipótesis del equipo? ¿Son conscientes las hormigas de lo que hacen al excavar?
Lo que saben y lo que no saben las hormigas
"Lo que descubrimos es que no parecían 'saber' lo que hacen", dice Andrade. "No buscaban sistemáticamente puntos blandos en la arena. Más bien, evolucionaron para excavar según las leyes de la física."
Parker lo llama algoritmo de comportamiento.
"Ese algoritmo no existe dentro de una sola hormiga", afirma. "Es un comportamiento colectivo emergente de la colonia, con todos estos obreros actuando como un superorganismo. Cómo ese programa de comportamiento se distribuye entre los diminutos cerebros de todas estas hormigas es una maravilla de la naturaleza para la que no tenemos explicación."
Andrade afirma que espera empezar a trabajar en un enfoque de inteligencia artificial que pueda emular ese algoritmo de comportamiento, para poder simular en un ordenador cómo excavan las hormigas. Parte de esa emulación, según Andrade, consistirá en determinar cómo escalar la física de las hormigas a túneles de tamaño humano.
"Los materiales granulares escalan de forma distinta a otros materiales, como los fluidos o los sólidos", afirma. "Se puede pasar de experimentos a escala de grano, en este caso de unos pocos milímetros, a la escala de metros, escalando el coeficiente de fricción intergranular."
¿El siguiente paso? Hormigas robóticas que podrían excavar túneles para los seres humanos.
"Mover materiales granulares consume mucha energía, es muy caro y siempre se necesita un operador que haga funcionar las máquinas", afirma. "Esta sería la última frontera."
El artículo que describe la investigación, titulado "Unearthing real time 3D ant tunneling mechanics," aparece en el número del 23 de agosto de la revista Proceedings of the National Academy of Sciences.
Los coautores son Robert Buarque de Macedo, estudiante de posgrado en mecánica aplicada; Shilpa Joya, antigua estudiante de doctorado en Caltech; Edward Andò y Gioacchino Viggiani, de la Universidad de Grenoble Alpes; y Raj Kumar Pal, de la Universidad Estatal de Kansas.
La investigación contó con financiación de una subvención de la Oficina de Investigación del Ejército de los Estados Unidos.
Joe Parker es miembro del profesorado afiliado al Tianqiao and Chrissy Chen Institute for Neuroscience.
