Imagine um formigueiro. O que você vê? Um pequeno monte de areia e terra quebradiça saindo do gramado? Um pequeno buraco desaparecendo no chão? Algumas formigas lutando ativamente. Não é muito impressionante, certo? Mas deslize para baixo da superfície e a simplicidade acima do solo dá lugar à complexidade subterrânea. Os túneis mergulham para baixo, se ramificando e levando a câmaras especializadas que servem de lar para a rainha da colônia, como viveiros para seus filhotes, como fazendas de fungos cultivados para alimentação e como lixões para seu lixo. Estas não são apenas tocas. São cidades subterrâneas, algumas delas com o lar de milhões de indivíduos, chegando a até 25 pés de profundidade, muitas vezes durando décadas.
Esse tipo de construção seria um empreendimento impressionante para a maioria das criaturas, mas quando executado por animais que não ficam muito maiores do que a unha, é especialmente notável.
Agora, movido pelo desejo de melhorar nossa própria capacidade de cavar no subsolo - seja para mineração, metrô ou agricultura subterrânea - uma equipe de pesquisadores da Caltech desvendou um dos segredos por trás de como as formigas constroem essas estruturas incrivelmente complexas e estáveis .
Liderada pelo laboratório de Jose Andrade, professor de Engenharia Civil e Mecânica George W. Housner, a equipe estudou os hábitos de escavação das formigas e descobriu os mecanismos que as guiavam. A pesquisa é descrita em um artigo publicado na revista Proceedings of the National Academy of Sciences .
O que as formigas estão pensando (se houver)?
Antes de iniciar esta pesquisa, Andrade, que também é o Cecil e Sally Drinkward Leadership Chair e Diretor Executivo de Engenharia Mecânica e Civil, tinha uma grande pergunta que queria responder: as formigas "sabem" cavar túneis, ou são apenas às cegas escavação?
“Eu me inspirei nesses formigueiros exumados, onde eles despejam plástico ou metal derretido e você vê esses vastos sistemas de túneis que são incrivelmente impressionantes”, diz Andrade. “Eu vi uma foto de um desses ao lado de uma pessoa e pensei 'Meu Deus, que estrutura fantástica.' E comecei a me perguntar se as formigas 'sabem' como cavar. "
“Não entrevistamos formigas para perguntar se sabem o que estão fazendo, mas partimos da hipótese de que cavam de forma deliberada”, diz Andrade. "Nossa hipótese é que talvez as formigas estivessem jogando Jenga."
O que ele quis dizer com "jogar Jenga" é que o time suspeitou que as formigas estavam tateando na terra, procurando grãos soltos de solo para remover, da mesma forma que uma pessoa jogando Jenga verifica os blocos soltos que são seguros para retire da pilha. Os blocos que não podem ser removidos - aqueles que suportam a carga da pilha - são considerados parte das 'correntes de força' da estrutura, a coleção de peças comprimidas pelas forças aplicadas sobre elas.
“Nossa hipótese é que as formigas poderiam sentir essas cadeias de força e evitar cavar lá”, diz Andrade. "Achamos que talvez eles estivessem explorando grãos de solo e, dessa forma, pudessem avaliar as forças mecânicas sobre eles."
Formigas fazem o que querem
Para aprender sobre formigas, a equipe precisava ter formigas para estudar. Mas Andrade é engenheiro, não entomologista (alguém que estuda insetos), então pediu a ajuda de Joe Parker, professor assistente de biologia e engenharia biológica, cuja pesquisa se concentra nas formigas e em suas relações ecológicas com outras espécies.
“O que Jose e sua equipe precisavam era de alguém que trabalhasse com formigas e entendesse os comportamentos adaptativos e coletivos desses insetos sociais para dar a eles algum contexto para o que estavam fazendo”, diz Parker.
Com Parker a bordo, a equipe começou a cultivar formigas e aprender a trabalhar com elas. Foi um processo que durou quase um ano, diz Andrade. Eles não apenas precisavam criar formigas suficientes para trabalhar, mas também muitas tentativas e erros para fazer com que as formigas cavassem em pequenos recipientes de solo que pudessem carregar em um gerador de imagens de raios-X. Por meio desse trabalho, eles determinaram um tamanho ideal de xícara para usar e um número ideal de formigas para colocar em cada xícara. Mesmo assim, as formigas nem sempre cooperaram com as prioridades dos próprios pesquisadores.
“Eles são meio caprichosos”, diz Andrade. "Eles cavam sempre que querem. Colocávamos essas formigas em um contêiner e algumas começavam a cavar imediatamente e fariam um progresso incrível. Mas outras levariam horas e não cavariam. E alguns cavavam um pouco e depois paravam e faziam uma pausa. "
Mas assim que as formigas começaram a andar, os pesquisadores pegaram os copinhos e os radiografaram usando uma técnica que criou uma varredura em 3-D de todos os túneis internos. Fazendo uma série dessas varreduras, deixando as formigas trabalharem um pouco entre cada uma delas, os pesquisadores puderam criar simulações mostrando o progresso que as formigas fizeram à medida que estendiam seus túneis cada vez mais abaixo da superfície.
Compreendendo a física das formigas
Em seguida, a equipe de Andrade começou a analisar o que as formigas estavam realmente fazendo enquanto trabalhavam e alguns padrões surgiram. Por um lado, diz Andrade, as formigas tentaram ser o mais eficientes possível. Isso significava que eles cavavam seus túneis ao longo das bordas internas das taças, porque a própria taça atuaria como parte das estruturas de seus túneis, resultando em menos trabalho para eles. Eles também cavaram seus túneis o mais direto possível.
“Isso faz sentido porque a linha reta é o caminho mais curto entre dois pontos”, diz Andrade. "E com elas aproveitando as laterais do recipiente, isso mostra que as formigas são muito eficientes no que fazem."
As formigas também cavaram seus túneis o mais abruptamente que puderam, até o que é conhecido como ângulo de repouso. Esse ângulo representa o ângulo mais íngreme que um material granular - um material feito de grãos individuais - pode ser empilhado antes de entrar em colapso. Para entender o ângulo de repouso, imagine uma criança construindo um castelo de areia na praia. Se a criança usar areia seca, cada concha de areia que ela adicionar deslizará pelas laterais da pilha que ela já fez. Mais areia tornará a pilha mais alta, mas também mais larga, e nunca ficará mais íngreme. Por outro lado, se a criança usar areia molhada, ela será capaz de empilhar a areia de maneira bastante íngreme para construir muros, torres e todas as outras coisas que um castelo de areia pode ter. A areia úmida tem um ângulo de repouso maior do que a areia seca, e cada material granular tem um ângulo exclusivo. As formigas, Andrade diz, pode dizer o quão íngreme é esse ângulo para o que quer que eles estejam cavando, e eles não o excedem. Isso também faz sentido, diz ele.
“Se eu for um escavador e vou sobreviver, minha técnica de escavação vai se alinhar com as leis da física, caso contrário, meus túneis vão desabar e eu vou morrer”, diz ele. Finalmente, a equipe descobriu algo sobre a física dos túneis de formigas que um dia poderia ser útil para os humanos.
À medida que as formigas removem grãos de solo, elas sutilmente estão causando um rearranjo nas correntes de força ao redor do túnel. Essas correntes, um tanto aleatórias antes de as formigas começarem a cavar, se reorganizam ao redor do lado de fora do túnel, como um casulo ou forro. Ao fazer isso, duas coisas acontecem: 1.) as correntes de força fortalecem as paredes existentes do túnel e 2.) as correntes de força aliviam a pressão dos grãos no final do túnel onde as formigas estão trabalhando, tornando mais fácil para o formigas para removê-los com segurança.
"É um mistério tanto para a engenharia quanto para a ecologia das formigas como as formigas constroem essas estruturas que persistem por décadas", diz Parker. "Acontece que, ao remover grãos neste padrão que observamos, as formigas se beneficiam dessas cadeias de força circunferencial à medida que cavam."
Mas e quanto à questão central da hipótese da equipe? As formigas estão cientes do que estão fazendo quando cavam?
O que as formigas sabem e não
“O que descobrimos foi que eles não pareciam 'saber' o que estavam fazendo”, diz Andrade. "Eles não procuraram sistematicamente por pontos frágeis na areia. Em vez disso, eles evoluíram para cavar de acordo com as leis da física." Parker chama isso de algoritmo comportamental.
“Esse algoritmo não existe dentro de uma única formiga”, diz ele. "É esse comportamento de colônia emergente de todas essas operárias agindo como um superorganismo. Como esse programa comportamental se espalha pelos cérebros minúsculos de todas essas formigas é uma maravilha do mundo natural para a qual não temos explicação."
Andrade diz que espera começar a trabalhar em uma abordagem de inteligência artificial que possa emular esse algoritmo comportamental para que ele possa simular como as formigas cavam em um computador. Parte dessa emulação, diz Andrade, será determinar como dimensionar a física das formigas para túneis de tamanho humano.
"Os materiais granulares escalam de maneiras diferentes do que outros materiais, como fluidos ou sólidos", diz ele. "Você pode ir de experimentos na escala de grãos, neste caso alguns milímetros, para a escala de metros, escalando o coeficiente de atrito intergranular."
O próximo passo depois disso? Formigas robóticas que podem cavar túneis para humanos.
“A movimentação de materiais granulares consome muita energia e é muito cara e você sempre precisa de um operador operando as máquinas”, diz ele. "Esta seria a fronteira final."
O financiamento para a pesquisa foi fornecido por uma bolsa do Escritório de Pesquisa do Exército dos Estados Unidos.
