La física de las balsas de hormigas bravas podría ayudar a los ingenieros a diseñar robots de enjambre

Noé superó su diluvio en un arca. Winnie-the-Pooh tenía un paraguas al revés. Las hormigas de fuego (Solenopsis invicta), por su parte, forman balsas flotantes formadas por miles o incluso cientos de miles de insectos individuales.

Un nuevo estudio realizado por ingenieros de la Universidad de Colorado Boulder establece las reglas simples basadas en la física que gobiernan cómo estas balsas de hormigas se transforman con el tiempo: encogerse, expandirse o desarrollar protuberancias largas como la trompa de un elefante. Los hallazgos del equipo podrían algún día ayudar a los investigadores a diseñar robots que trabajen juntos en enjambres o materiales de próxima generación en los que las moléculas migran para reparar los puntos dañados.

Los resultados aparecieron recientemente en la revista PLOS Biología Computacional.

«Los orígenes de tales comportamientos se encuentran en reglas bastante simples», dijo Franck Vernerey, investigador principal del nuevo estudio y profesor en el Departamento de Ingeniería Mecánica Paul M. Rady. «Las hormigas solas no son tan inteligentes como uno podría pensar, pero, colectivamente, se convierten en comunidades muy inteligentes y resistentes».

Las hormigas de fuego forman estas gigantescas masas flotantes de insectos que se retuercen después de las tormentas en el sureste de los Estados Unidos para sobrevivir a las aguas embravecidas.

En su último estudio, Vernerey y el autor principal, Robert Wagner, recurrieron a simulaciones o modelos matemáticos para tratar de descubrir la mecánica subyacente a estos botes salvavidas. Descubrieron, por ejemplo, que cuanto más rápido se mueven las hormigas en una balsa, más se expandirán esas balsas hacia afuera, a menudo formando protuberancias largas.

«Este comportamiento podría, esencialmente, ocurrir de forma espontánea», dijo Wagner, estudiante de posgrado en ingeniería mecánica. «No necesariamente tiene que haber una toma de decisiones central por parte de las hormigas».

tiempo de caminadora

Wagner y Vernerey descubrieron los secretos de las balsas de hormigas casi por accidente.

En un estudio separado publicado en 2021, el dúo arrojó miles de hormigas de fuego en un balde de agua con una varilla de plástico en el medio, como una caña solitaria en medio de aguas tormentosas. Luego esperaron.

«Los dejamos allí hasta ocho horas para observar la evolución a largo plazo de estas balsas», dijo Wagner. «Lo que terminamos viendo es que las balsas comenzaron a formar estos crecimientos».

En lugar de mantener la misma forma con el tiempo, las estructuras se comprimirían y formarían densos círculos de hormigas. En otros puntos, los insectos se desplegarían como masa para panqueques en una sartén, e incluso formarían extensiones en forma de puente.

El grupo informó que las hormigas parecían modular estos cambios de forma a través de un proceso de «caminar». Como explicó Wagner, cada balsa de hormigas se compone de dos capas. En la parte inferior, puedes encontrar hormigas «estructurales» que se aferran unas a otras y forman la base. Por encima de ellos hay una segunda capa de hormigas que caminan libremente sobre sus compañeros de colonia.

Durante un período de horas, las hormigas del fondo pueden arrastrarse hasta la parte superior, mientras que las hormigas que deambulan libremente bajarán para convertirse en parte de la capa estructural.

«Todo es como una cinta de correr con forma de dona», dijo Wagner.

Puente a la seguridad

En el nuevo estudio, él y Vernerey querían explorar qué es lo que hace que la cinta de correr funcione.

Para hacer eso, el equipo creó una serie de modelos que, esencialmente, convirtieron una balsa de hormigas en un complicado juego de damas. Los investigadores programaron aproximadamente 2000 partículas redondas, o «agentes», para reemplazar a las hormigas. Estos agentes no podían tomar decisiones por sí mismos, pero seguían un conjunto simple de reglas: a las hormigas falsas, por ejemplo, no les gustaba chocar con sus vecinos y trataban de evitar caer al agua.

Cuando dejaron que se desarrollara el juego, Wagner y Vernerey descubrieron que sus balsas de hormigas simuladas se comportaban de manera muy parecida a las cosas reales.

En particular, el equipo pudo ajustar qué tan activos eran los agentes en sus simulaciones: ¿las hormigas individuales eran lentas y perezosas, o caminaban mucho? Cuanto más caminaban las hormigas, más probable era que formaran largas extensiones que sobresalieran de la balsa, un poco como las personas que se dirigen hacia una salida en un estadio lleno de gente.

«Las hormigas en las puntas de estas protuberancias casi son empujadas hacia el agua, lo que conduce a un efecto de fuga», dijo.

Wagner sospecha que las hormigas rojas usan estas extensiones para palpar su entorno, en busca de troncos u otros pedazos de tierra firme.

Los investigadores todavía tienen mucho que aprender sobre las balsas de hormigas: ¿Qué hace que las hormigas en el mundo real, por ejemplo, opten por cambiar de tranquilas a perezosas? Pero, por ahora, Vernerey dice que los ingenieros podrían aprender un par de cosas de las hormigas rojas.

«Con suerte, nuestro trabajo con las hormigas de fuego nos ayudará a comprender cómo se pueden programar reglas simples, como a través de algoritmos que dictan cómo los robots interactúan con otros, para lograr una respuesta de enjambre inteligente y bien dirigida», dijo.