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

 Las colonias de hormigas siguen las leyes de la física del suelo para construir túneles largos y resistentes, según ha revelado una investigación publicada en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). En los sorprendentes hormigueros hay complejos túneles que miden más de un metro de largo, duran décadas sin derrumbarse y se conectan entre sí. Los secretos de estas hormigas arquitectas fueron desvelados por un análisis de rayos X en tres dimensiones y por modelos de computación que observaron la posición y el movimiento de los animales mientras excavaban.

José Andrade, primer autor de la publicación y director del Laboratorio de Geomecánica en el Instituto de Tecnología de California, en EE UU, (Caltech) explica por correo electrónico que la construcción de estas ciudades con complejas estructuras subterráneas en las que pueden convivir millones de hormigas es posible gracias a un algoritmo de comportamiento que se ha ido adaptando y perfeccionando con la evolución de los insectos y les permite cavar túneles instintivamente sin que se derrumbe toda la estructura. “Nos inspiraron los nidos de hormigas exhumados que muestran lo impresionantes y grandes que son: ¡pueden ser del tamaño de una persona!”, dice Andrade. Entender y replicar estos algoritmos servirá en el futuro para crear robots de minería que simulen el funcionamiento de las hormigas y excaven el suelo de la Tierra y de otros planetas sin que haya riesgo de colapso.

Al comenzar la investigación, Andrade y sus colegas creían que las hormigas “podían determinar cuáles granos de tierra y de arena remover y cuáles no para garantizar la estabilidad de sus túneles”, a través de algún tipo de aprendizaje, dice el científico. Sin embargo, al final del trabajo descubrieron que esa conducta es inconsciente y está programada genéticamente. “Lo hacen sin saber realmente cómo hacerlo”. Andrade afirma que el algoritmo de comportamiento de las hormigas “les permite cavar túneles de acuerdo con las leyes de la física haciendo que sean más estables y al mismo tiempo más fáciles de construir y de mantener”.

Fuerzas granulares (líneas negras) en el mismo lugar 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 blindaje que reduce el riesgo de colapso. “Las hormigas parecen estar jugando a Jenga sin saberlo”, bromea Andrade al referirse al famoso juego de construcción en el que hay que tratar de quitar piezas sin derribar la torre.

Robert Buarque de Macedo, investigador de Caltech y coautor del estudio, explica por correo electrónico que las hormigas tienden a cavar los túneles en línea recta, eso hace que escojan el camino más rápido y más eficiente para llegar, por ejemplo, a la habitación donde duerme la reina de la colonia, o a los cuartos en los que se crían las hormigas bebés, o incluso a las pequeñas recámaras donde tiran la basura y se almacena la comida. “Eso 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 cavan también lejos de las paredes y hacen los túneles por debajo del ángulo de reposo del suelo, es decir, por debajo del ángulo más empinado posible antes de que este se deslice. “Las hormigas pueden identificar qué tan empinado es el límite de ese ángulo para lo que sea que estén excavando, y no lo exceden”, explica el investigador. Otra de las claves de la construcción exitosa es que a medida que cavan el túnel, van formando 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 reubican un grano de tierra”, explica el científico. Y añade: “es muy parecido al funcionamiento de los arcos romanos”.

Arquitectura del nido de la hormiga cosechadora de Florida, Pogonomyrmex badius CALTECH

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

José Andrade explica que las hormigas no son las únicas buenas arquitectas del mundo animal. Las termitas construyen ciudades similares, los panales de las abejas tienen estructuras impresionantes, los castores hacen represas estables en medio de caudalosos ríos, las aves tejen nidos en las copas de los árboles que resisten el viento y la lluvia. “No entendemos cómo todos tienen algoritmos de comportamiento que les permiten construir estas estructuras maravillosas. Aún tenemos miles de cosas que aprender de los animales”, dice Andrade.

Los investigadores confiesan que se divirtieron trabajando con las 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 estábamos mirando con rayos X y las hormigas dejaban de hacer túneles y luego dejábamos de mirar y volvían a hacerlo”. Buarque de Macedo coincide: “Tuvimos que hacer muchos intentos para capturar las imágenes que tomamos. Eso hizo que la investigación fuera mucho más interesante y divertida”.

Además de los ingenieros, en el trabajo también participó Joe Parker, profesor asistente de biología e ingeniería biológica. “Hasta ahora había sido un misterio cómo las hormigas construyen estas estructuras que puede persistir en buen estado durante décadas”, afirma Parker en un comunicado de prensa del Laboratorio de Geomecánica en el Instituto de Tecnología de California. Según el investigador, el algoritmo de comportamiento que permite la construcción exitosa de los túneles y que los científicos identificaron con los rayos X no existe dentro de una sola hormiga. “Es un comportamiento de colectivo, de la colonia, que emerge de todas las hormigas trabajadoras actuando juntas como un superorganismo”.

Andrade y Buarque de Macedo dicen que con los hallazgos de este estudio esperan trabajar en un sistema de inteligencia artificial que pueda emular el algoritmo de comportamiento de las hormigas al cavar. El propósito es crear robots que se puedan utilizar en minería y proteger así la vida de miles de trabajadores que muchas veces arriesgan su salud excavando en las profundidades de la tierra. 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. Y concluye: “¿El siguiente paso después de eso? Hormigas robóticas que podrían cavar túneles para humanos”.