Entomología Hoy

En la revista Journal of Biomechanics, los investigadores informan de que la articulación del cuello de una hormiga común de campo americana puede soportar presiones de hasta 5.000 veces el peso de la hormiga.

«Las hormigas son sistemas mecánicos impresionantes, realmente asombrosos», dijo Carlos Castro, profesor asistente de ingeniería mecánica y aeroespacial en la Universidad Estatal de Ohio. «Antes de empezar, hicimos una estimación un tanto conservadora de que podrían soportar mil veces su peso, y resultó ser mucho más».

Los ingenieros están estudiando si articulaciones similares podrían permitir a futuros robots imitar la capacidad de levantamiento de peso de las hormigas en la Tierra y en el espacio.

Otros investigadores llevan tiempo observando a las hormigas en el campo y adivinando que podrían levantar cien veces su peso corporal o más, a juzgar por la carga de hojas o presas que llevaban. Castro y sus colegas adoptaron un enfoque diferente.

Desmontaron a las hormigas.

«Como harías en cualquier sistema de ingeniería, si quieres entender cómo funciona algo, lo desmontas», dijo. «Eso puede sonar un poco cruel en este caso, pero primero las anestesiamos».

Los ingenieros examinaron la hormiga del montículo de Allegheny (Formica exsectoides) como si se tratara de un dispositivo del que quisieran hacer ingeniería inversa: probaron sus partes móviles y los materiales de los que está hecha.

Elegieron esta especie en particular porque es común en el este de Estados Unidos y se podía obtener fácilmente en el insectario de la universidad. Es una hormiga de campo promedio que no es particularmente conocida por su capacidad de elevación.

Las imágenes de las hormigas con microscopía electrónica y las radiografías con máquinas de tomografía microcomputada (micro-CT). Colocaron a las hormigas en un refrigerador para anestesiarlas y luego las pegaron boca abajo en una centrífuga especialmente diseñada para medir la fuerza necesaria para deformar el cuello y, finalmente, separar la cabeza del cuerpo.

La centrífuga funcionaba según el mismo principio que una atracción de feria común llamada «el rotor». En el rotor, una habitación circular gira hasta que la fuerza centrífuga clava a las personas en la pared y el suelo se cae. En el caso de las hormigas, sus cabezas estaban pegadas al suelo de la centrifugadora, de modo que, a medida que ésta giraba, los cuerpos de las hormigas eran arrastrados hacia fuera hasta que sus cuellos se rompían.

La centrifugadora giraba hasta cientos de rotaciones por segundo, y cada aumento de velocidad ejercía más fuerza hacia fuera sobre la hormiga. A fuerzas correspondientes a 350 veces el peso corporal de las hormigas, la articulación del cuello comenzó a estirarse y el cuerpo se alargó. Los cuellos de las hormigas se rompieron con fuerzas de entre 3.400 y 5.000 veces su peso corporal medio.

Los escáneres de microtecnología revelaron la estructura del tejido blando del cuello y su conexión con el exoesqueleto duro de la cabeza y el cuerpo. Las imágenes de microscopía electrónica revelaron que cada parte de la articulación cabeza-cuello-pecho estaba cubierta de una textura diferente, con estructuras que parecían protuberancias o pelos que se extendían desde diferentes lugares.

«Otros insectos tienen estructuras a microescala similares, y creemos que podrían desempeñar algún tipo de función mecánica», dijo Castro. «Podrían regular la forma en que el tejido blando y el exoesqueleto duro se unen, para minimizar la tensión y optimizar la función mecánica. Podrían crear fricción o reforzar una parte móvil contra la otra».

Otra característica clave del diseño parece ser la interfaz entre el material blando del cuello y el material duro de la cabeza. Este tipo de transiciones suelen crear grandes concentraciones de tensión, pero las hormigas tienen una transición gradual y graduada entre los materiales que da un mayor rendimiento, otra característica de diseño que podría resultar útil en los diseños hechos por el hombre.

«Ahora que entendemos los límites de lo que esta hormiga en particular puede soportar y cómo se comporta mecánicamente cuando lleva una carga, queremos entender cómo se mueve. ¿Cómo sostiene su cabeza? ¿Qué cambia cuando la hormiga transporta cargas en diferentes direcciones?»

Un día, esta investigación podría conducir a robots de tamaño micro que combinen partes blandas y duras, como hace el cuerpo de la hormiga. En la actualidad, gran parte del trabajo en robótica consiste en ensamblar dispositivos pequeños y autónomos que puedan trabajar juntos.

Pero surgirá un problema difícil si los investigadores intentan crear grandes robots basados en el mismo diseño, explicó Castro.

Las hormigas son superfuertes a pequeña escala porque sus cuerpos son muy ligeros. Dentro de sus duros exoesqueletos, sus músculos no tienen que proporcionar mucho apoyo, por lo que son libres de aplicar toda su fuerza para levantar otros objetos. Los humanos, en cambio, soportamos cargas comparativamente pesadas debido a nuestro peso corporal. Con nuestros músculos soportando nuestro peso corporal, no nos queda tanta fuerza para levantar otros objetos.

Sin embargo, a escala humana, las hormigas se ven superadas por la física básica. Su peso aumenta con su volumen total (dimensiones al cubo), mientras que la fuerza de sus músculos sólo aumenta con la superficie (dimensiones al cuadrado). Así que una hormiga de tamaño humano, si existiera fuera de una película de terror, probablemente no tendría tanto éxito en el transporte de cargas extremas a escala humana.

Sin embargo, un gran robot basado en ese diseño podría ser capaz de transportar y remolcar carga en microgravedad, por lo que es posible que algún día podamos emplear hormigas robot gigantes en el espacio, «o, al menos, algo inspirado en las hormigas», dijo Castro.

Mientras tanto, los ingenieros estudiarán los músculos de la hormiga de cerca, tal vez utilizando imágenes de resonancia magnética. Las simulaciones por ordenador también ayudarán a responder a la pregunta de cómo ampliar estructuras similares.