Coloniile de furnici pot exista la adâncimi de câțiva metri, pot adăposti milioane de insecte și pot rezista timp de câteva decenii, în ciuda faptului că acestea nu au fost realizate cu materiale de armare. Secretele acestor structuri arhitecturale impresionante au fost dezvăluite cu ajutorul imagisticii tridimensionale cu raze X și cu derularea unei serii de simulări pe computer și ar putea fi folosite pentru a dezvolta mașini robotizate de extracție.
José Andrade și colegii acestuia din cadrul Institutului de Tehnologie din California au creat o serie de colonii de furnici miniaturale într-un container care conținea 500 de mililitri de sol și 15 furnici occidentale de recoltare (Pogonomyrmex occidentalis). După aceea, poziția fiecărei furnici și a fiecărei particule de sol a fost monitorizată prin scanări cu raze X de înaltă rezoluție la fiecare 10 minute timp de 20 de ore.
Rezultatele analizei cu raze X au oferit cercetătorilor detalii exacte cu privire la forma fiecărui tunel și la particulele care au fost eliminate pentru a-l crea. După aceea, folosind aceste scanări, echipa a creat un model de computer pentru a înțelege forțele care acționează asupra tunelurilor. Mărimea, forma și orientarea fiecărei particule au fost recreate în model, iar orientarea și aplicarea forțelor pe fiecare particulă, gravitația, fricțiunea și coeziunea cauzate de umiditate au putut fi calculate. Modelul a avut o exactitate maximă la o rezoluție a scannerului de 0,07 milimetri.
Rezultatele sugerează faptul că, pe măsură ce furnicile excavează, forțele din sol tind să se înfășoare în jurul axei tunelului, formând ceea ce echipa numește „arcade” în sol, care au un diametru mai mare decât tunelul în sine. Acest lucru reduce sarcina care acționează asupra particulelor de sol din arcade, unde furnicile își construiesc tunelul. Drept urmare, furnicile pot îndepărta cu ușurință aceste particule pentru a extinde tunelul fără a provoca prăbușirea acestuia. De asemenea, arcadele sporesc rezistența și durabilitatea tunelurilor.
„Ne-am gândit cu naivitate că furnicile sapă în mod aleatoriu. Acum este clar faptul că furnicile par să nu știe nimic despre forțe și să nu prezinte semne de luare a deciziilor. În schimb, acestea urmează un algoritm comportamental foarte simplu, care a evoluat în timp”, a declarat Andrade.
Furnicile tind să sape tuneluri relativ drepte, care coboară la unghiul de repaus, adică panta la care un material granular formează în mod natural movile, care a fost în jur de 40 de grade în acest caz. De asemenea, furnicile aleg cu exactitate particulele potrivite pe care trebuie să le elimine pentru a crea o arcadă de protecție.
„Într-un mod remarcabil, am descoperit o tehnică de săpat care este în conformitate cu legile fizicii și incredibil de eficientă”, a declarat Andrade.
Echipa consideră că, dacă algoritmul comportamental poate fi analizat în continuare și reprodus, atunci acesta poate fi implementat în cazul unor aplicații, precum roboți de exploatare automată, fie pe Pământ, fie pe alte corpuri planetare, unde mineritul ar fi și mai periculos pentru oameni.