Los túneles de las hormigas recreados en 3D

Un hormiguero es una obra de ingeniería que los humanos no podemos imitar. Puede albergar una colonia de hasta 250.000 hormigas, sin derrumbarse. Para entender cómo lo hacen, han modelado los nidos de hormigas en 3D.

Un hormiguero cuenta con cientos de túneles que se ramifican desde los pozos principales y se conectan con pequeñas cámaras donde las hormigas descansan, comen y alimentan a las larvas. De la estabilidad de cada galería depende su supervivencia.

Las hormigas han evolucionado hasta convertirse en excavadoras asombrosamente competentes, eliminando con éxito los granos de arena a medida que avanzan bajo tierra, de modo que sus túneles son absolutamente estables. Su habilidad excavadora es algo que los humanos a día de hoy no consiguen reproducir.

Viaje al interior de un nido de hormigas

Actualmente, no está claro cómo las hormigas usan su información limitada sobre el medio ambiente para construir túneles duraderos. Y el ingeniero civil José Andrade y su equipo del Instituto Tecnológico de California (Caltech) decidieron investigarlo. Los resultados los publicaron en la revista PNAS.

Esta es una recreación en 3D de un viaje al interior de un nido de hormigas.

La razón de investigar a las hormigas es imitar su eficiencia.

La excavación granular supone ir quitando partículas sólidas y predecir la eficiencia de la estabilidad de una excavación durante la remoción de partículas es un problema sin resolver. El movimiento de cada grano está acoplado a sus vecinos.

El trabajo del modelado en 3D del hormiguero tenía como objetivo dar con el algoritmo que imita a las hormigas construyendo su túnel. Para ello, tomaron imágenes tomográficas computarizadas (XRCT) de rayos X tridimensionales (3D), en tiempo real.

Al capturar la ubicación y la forma de cada grano, caracterizaron la relación entre las propiedades de las partículas y la toma de decisiones de las hormigas dentro de una recreación virtual precisa del experimento.

Descubrieron que las fuerzas intergranulares disminuyen significativamente alrededor de los túneles de las hormigas debido a la formación de arcos dentro del suelo.

Debido a esta relajación de la fuerza, cualquier grano que las hormigas tomen de la superficie del túnel probablemente estará bajo estrés. Por lo tanto, las hormigas evitan eliminar los granos comprimidos bajo grandes fuerzas sin tener que ser conscientes de la red de fuerzas en el material circundante.

Aún más, estos arcos protegen los túneles de las fuerzas elevadas, proporcionando robustez al túnel. Finalmente, observamos que las hormigas tienden a cavar a trozos linealmente hacia abajo. Estos resultados son un paso hacia la comprensión de la estabilidad del túnel granular en sistemas 3D heterogéneos