Los científicos han descubierto la mecánica secreta de las balsas de hormigas bravas

Un nuevo estudio investiga la forma en que las «balsas» de hormigas se agrupan para garantizar la supervivencia durante las inundaciones.

Las hormigas bravas forman balsas para sobrevivir a las inundaciones, pero ¿cómo funcionan esos vínculos? ¿Qué podemos aprender de ellos? Un profesor de la Universidad SUNY Binghamton está investigando estas cuestiones para ampliar nuestro conocimiento de la ciencia de los materiales.

Cuando las inundaciones afectan un área donde viven las hormigas bravas, su respuesta de supervivencia es unirse para formar una «balsa» flotante que flota y mantiene unida a la colonia. Piense en ello como un material condensado y adaptable en el que los componentes básicos (las hormigas individuales) ya están vivos.

El profesor asistente de la Universidad de Binghamton, Rob Wagner, dirigió la investigación como parte del Laboratorio Verneri de Mecánica de Materiales Blandos de la Universidad de Colorado Boulder, donde investigaron la respuesta adaptativa de estas balsas vivientes. Los objetivos son comprender cómo transforman y cambian sus propiedades mecánicas de forma independiente y luego incorporar descubrimientos más simples y útiles a los materiales sintéticos.

«Siempre me han fascinado los sistemas vivos porque logran cosas que nuestros materiales de ingeniería actuales no pueden, o ni siquiera logran», dijo. “Fabricamos sistemas poliméricos, metálicos y cerámicos a granel, pero son pasivos. Los componentes no almacenan energía y luego la convierten en trabajo mecánico como lo hace cualquier sistema vivo.

Wagner cree que este almacenamiento y conversión de energía es esencial para simular los comportamientos inteligentes y adaptativos de los sistemas vivos.

Comparando balsas de hormigas con polímeros

En su última publicación sobre procedimientos de la Academia Nacional de CienciasWagner y sus colegas de la Universidad de Colorado investigaron cómo responden las balsas de las hormigas bravas a la carga mecánica cuando se estiran y compararon la respuesta de estas balsas con polímeros dinámicos y autorreparables.

«Muchos polímeros se mantienen unidos mediante enlaces dinámicos que se rompen, pero que pueden repararse», dijo Wagner. “Cuando se tiran con suficiente lentitud, estos enlaces tienen tiempo de reestructurar el material para que fluya, en lugar de romperse, como la sustancia pegajosa con la que juegan nuestros niños o el helado suave. Sin embargo, cuando se tira demasiado rápido, se rompen como tiza. “Dado que las balsas se mantienen unidas gracias a las hormigas que se aferran unas a otras, sus vínculos pueden romperse y repararse, por lo que mis colegas y yo pensamos que harían lo mismo.

Pero Wagner y sus colaboradores descubrieron que no importaba qué tan rápido tiraban de las balsas de hormigas, su respuesta mecánica era más o menos la misma y nunca fluían. Wagner especula que las hormigas aprietan y alargan reflexivamente su agarre cuando se sienten fuertes porque quieren permanecer juntas. O rechazan o detienen su comportamiento dinámico.

Un experimento para probar cómo responden las balsas de las hormigas bravas a la carga mecánica cuando se estiran. Crédito: Robert Wagner

El fenómeno de que los vínculos se fortalezcan cuando se les aplica fuerza se llama comportamiento de vínculo de caza y probablemente promueve la cohesión de la colonia, lo que tiene sentido para la supervivencia.

«A medida que tiras de los enlaces típicos con cierta cantidad de fuerza, los entregarás antes y su vida útil disminuye; estás debilitando el vínculo al tirar de ellos. Eso es lo que se ve en casi cualquier sistema pasivo», Wagner. “Pero en los sistemas vivos, para complicarlo, a veces se pueden tener vínculos de pesca que se mantienen durante períodos más largos bajo un cierto rango de fuerza aplicada. Algunas proteínas hacen esto de forma mecánica y automática, pero no es que sean ellas las que tomen la decisión. «Están dispuestos de tal manera que cuando se aplica fuerza, exponen estos sitios de unión que se pegan o ‘pegan'».

Wagner cree que imitar estos enlaces que se rompen en los sistemas de ingeniería podría conducir a materiales artificiales que exhiban una autoresistencia local e independiente en regiones de alta tensión mecánica. Esto podría mejorar la vida útil de implantes biomédicos, adhesivos, compuestos de fibras, componentes robóticos blandos y muchos otros sistemas.

Las agregaciones colectivas de insectos, como las balsas de hormigas bravas, ya están inspirando a los investigadores a desarrollar materiales con propiedades y comportamientos mecánicos que responden a estímulos. papel en Materiales de la naturaleza A principios de este año -Dirigido por el Laboratorio de Biomateriales Sensibles a Instrumentos de la Universidad Texas A&M, que incluye contribuciones de Wagner y su ex asesor de tesis, el profesor Frank J. Verneri: muestra cómo las cintas hechas de geles especiales o materiales llamados elastómeros de cristal líquido pueden torcerse debido al calentamiento y luego entrecruzarse entre sí para formar estructuras sólidas condensadas inspiradas en estas hormigas.

«Una progresión natural de este trabajo es responder cómo las interacciones entre estas hebras u otros bloques de construcción blandos hacen que se ‘peguen’ bajo carga como lo hacen las hormigas bravas y algunas interacciones biomoleculares», dijo Wagner.

Referencia: “La cinética del vínculo de caza es beneficiosa para la cohesión de las balsas de hormigas bravas bajo carga” por Robert J. Wagner y Samuel C. Lamont, Zachary T. White y Frank J. Verniere, 15 de abril de 2024, procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias.
doi: 10.1073/pnas.2314772121