[23/05/2013] News
I trucchi delle formiche di fuoco aiuteranno a progettare robot per interventi nelle calamità?
Sorprendente scoperta: questi insetti usano le antenne per aggrapparsi
I futuri robot che utilizzeranno le squadre di ricerca e soccorso sotterranee in caso di catastrofe potrebbero essere molto più efficaci grazie alle formiche di fuoco (Solenopsis invicta), un insetto disprezzato e temuto per i suoi morsi dolorosi che con le sue vaste reti di gallerie sotterranee ha invaso gran parte degli Stati uniti d'America. E' quanto emerge dallo studio Climbing, falling, and jamming during ant locomotion in confined environments pubblicato su Proceedings of the National Academy of Sciences (Pnas) da 4 ricercatori delle scuole di fisica e biologia del Georgia Institute of Technology che, studiando le formiche di fuoco in laboratorio con apparecchiature video tracking e tomografia computerizzata a raggi X, hanno scoperto i principi fondamentali di locomozione che le squadre di robot potrebbero un giorno utilizzare per muoversi rapidamente e facilmente attraverso le gallerie sotterranee. Tra le eccezionali facoltà delle terribili formiche c'è anche la capacità di costruzione di ambienti a tunnel che le aiutano a muoversi, limitando scivoloni e cadute, e riducendo la necessità di un'elaborazione neurale complessa.
Ma una delle più grosse sorprese davanti alla quale si è trovato di fronte il team di ricerca statunitense è un eccezionale comportamento osservato per la prima volta: «Negli spazi chiusi usano le loro antenne per la locomozione, nonché per il rilevamento dell'ambiente».
Daniel Goldman della facoltà di fisica del Georgia Institute of Technology spiega: «La nostra ipotesi è che le formiche creino il loro ambiente nel solo modo giusto per consentire loro di muoversi rapidamente su e giù con una quantità minima di controllo neurale. L'ambiente permette alle formiche di fare passi falsi e di non soffrirne. Queste formiche possono insegnarci alcuni trucchi straordinariamente efficaci per le manovre in ambienti sotterranei».
Ma perché utilizzare proprio le formiche del fuoco per uno studio sulla locomozione sotterranea? Goodisman risponde: «Questi animali scavano praticamente non-stop, e sono un soggetto di studio davvero buono e replicabile. E' molto conveniente per noi studiarle. Possiamo uscire fuori della porta del laboratorio e raccoglierle praticamente ovunque».
La ricerca, che è stata finanziata dal programma Physics of Living della National science foundation, si basa su una serie di test condotti dal fisico Nick Gravish che ha messo gruppi di Solenopsis invicta dentro tubi nel terreno permettendo loro di scavare tunnel per 20 ore. Per simulare diverse condizioni ambientali, Gravish e la sua collega Daria Monaenkova hanno variato la dimensione delle particelle di terreno da 50 micron su fino a 600 micron ed hanno anche alterato il contenuto di umidità dall'1 al 20%. Ne è venuto fuori che «Mentre le variazioni delle dimensione delle particelle e dell'umidità hanno prodotto variazioni di volume delle gallerie realizzate e nella la profondità che le formiche hanno scavato, i diametri delle gallerie sono rimasti costanti e paragonabile alla lunghezza del corpo delle creature: circa 3,5 millimetri».
Goldman sottolinea: «Indipendentemente dal fatto che le particelle di terreno fossero grandi come le teste degli animali o fossero polvere fine, oppure se il terreno fosse umido o contenesse poca umidità, le dimensioni del tunnel erano sempre le stesse, all'interno di una gamma ristretta. La dimensione dei tunnel sembrano essere un "design principle" utilizzato dalle formiche, qualcosa che controllano». Il team scrive su Pnas: «Questo ci suggerisce che le formiche del fuoco controllano attivamente i loro scavi per creare gallerie di una dimensione fissa».
Secondo Gravish questo effetto di scala «Permette alle formiche di utilizzare al meglio le antenne, gli arti e il corpo per salire e scendere rapidamente nei tunnel, interagendo con le pareti e limitando la quantità di possibili passi falsi. In questi ambienti sotterranei dove i movimenti delle loro gambe sono sicuramente un ostacolo, vediamo che le velocità alle quali queste formiche possono eseguirli sono le stesse. La dimensione delle gallerie sembra avere poco o nessun effetto sulla locomozione così come definita dalla velocità».
I ricercatori hanno utilizzato tomografia computerizzata a raggi X per studiare le gallerie delle formiche costruite nelle camere di test, raccogliendo 168 osservazioni. Hanno anche usato attrezzature video tracking per raccogliere dati sulle formiche che si muovevano attraverso tunnel realizzati tra due lastre di vetro trasparenti, simili ai "formicai" per le ricerche dei bambini, e attraverso un labirinto di tubi di vetro di diametri differenti. Il labirinto è stato montato su un pistone pneumatico che periodicamente è stato bruscamente abbassato, lasciando cadere il labirinto con una forza di ben 27 volte quella di gravità. Il movimento improvviso ha fatto sì che circa la metà delle formiche di fuoco nei tubi perdesse l'equilibrio e cominciasse a cadere. Il che ha portato a uno dei risultati più sorprendenti dello studio: mentre cadevano gli insetti si afferravano alle pareti del tubo con le antenne. Gravish evidenzia: «Queste formiche si muovevano a velocità molto elevate e se si rallentava il filmato si poteva vedere che non si trattava di un movimento aggraziato: molte sono scivolate e cadute». Fondamentalmente, gli insetti erano in grado di rimettersi rapidamente in piedi in maniera quasi impercettibile».
Michael Goodisman, professore alla Georgia Tech School of biology, è incredulo: «Molti di noi che hanno studiato per lungo tempo gli insetti sociali non hanno mai visto le antenne utilizzate in questo modo. E' incredibile che si aggrappino da sole con le loro antenne. Questo è un comportamento adattivo che non ci saremmo mai aspettato».
Studiando le formiche mentre cadono nei tubi di vetro, i ricercatori hanno determinato che il diametro del tubo gioca un ruolo chiave nel fatto che gli animali possano gestire la loro caduta. Ora hanno in programma di capire come le formiche scavano le loro reti di gallerie, cosa che comporta lo spostamento di enormi quantità di terreno, visto che le formiche di fuoco sono note per realizzare grandi tumuli di terreno.
Ma la ricerca si è concentrata sulla comprensione dei principi di base del movimento delle formiche in spazi ristretti e i risultati potrebbero avere implicazioni per le future squadre di piccoli robot: «I problemi che le formiche affrontano sono gli stessi tipi di problemi che potrebbe potenzialmente affrontare un robot lavorando in spazi ristretti: la necessità di movimenti rapidi, la stabilità e la sicurezza, il tutto con sensi e capacità cerebrale limitati - dice Goodisman - Se vogliamo costruire macchine che scavano, dobbiamo essere in grado di realizzare i controlli come hanno queste formiche».
Goldman conclude: «Questi insetti di notevole successo sono in grado di manipolare il loro ambiente di utilizzarlo per controllare il loro movimento. Il nostro obiettivo generale è stato quello di selezionare i principi con cui le formiche ed altri animali manipolano ambienti complessi ed utilizzarli nella progettazione di robotica di ricerca e salvataggio. Lo stato dell'arte della robotica della ricerca e soccorso è in realtà molto limitato Molti dei materiali nei luoghi del disastro, frane, cumuli di macerie, sono materiali sciolti, all'interno dei quali si potrebbe potenzialmente creare strutture. Per esempio, si potrebbe prendere in considerazione la creazione di una struttura temporanea per le persone sepolte lì sotto. Le formiche di fuoco possono costruire tunnel stabili nella sabbia o nel terreno senza umidità e legarli insieme, se riusciamo ad imparare come fanno, questo potrebbe consentire ai progettisti di costruire robot che risolvano gli stessi problemi ingegneristici».