Mierenkolonies gaan tot enkele meter diep, bieden onderdak aan miljoenen mieren en blijven vaak tientallen jaren bestaan. En dat terwijl de mieren ze maken zonder hulp van machines of versterkend materiaal. De geheimen van deze knappe staaltjes architectuur zijn nu onthuld met 3D-röntgenbeeldvorming en computersimulaties. Die inzichten kunnen helpen bij het ontwikkelen van robotische mijnbouwmachines.

Werktuigbouwkundige José Andrade van de Amerikaanse Caltech-universiteit en zijn collega’s maakten een miniatuur mierenkolonie in een bak met 500 milliliter aarde en vijftien mieren van de soort Pogonomyrmex occidentalis. De plaats van elke mier en elke korrel aarde werd vastgelegd met gedetailleerde röntgenscans. Twintig uur lang werd elke tien minuten een scan gemaakt.

Zonder instortingsgevaar

De resultaten van de scans gaven de onderzoekers inzicht in de vorm van de tunnels en welke korrels de mieren verwijderden om ze te maken. Vervolgens bouwde het team een computermodel op basis van de scans om te begrijpen welke krachten van invloed waren op de tunnels.

Oneindigheid brengt wiskundigen al tijden in de war – maar hebben we het nu eindelijk door?
LEES OOK
Oneindigheid brengt wiskundigen al tijden in de war – maar hebben we het nu eindelijk door?

De grootte, vorm en oriëntatie van elke korrel werd vastgelegd in het model. Het team berekende de richting en grootte van de kracht op elke korrel, inclusief zwaartekracht, wrijving en plakkerigheid door vocht. Het model was heel nauwkeurig, met een resolutie van 0,07 millimeter.

Links laat de krachten op de korrels zien vóór de graafwerkzaamheden van de mieren. Rechts laat de krachten zien nadat de mieren in de weer zijn geweest. Hoe dikker de lijn, hoe sterker de kracht. De krachten vlakbij de tunnel worden zwakker na het graven, door het vormen van bogen. Beeld: Caltech

Uit de studie blijkt dat krachten in de aarde de neiging hebben om zich rond de as van de tunnels te wikkelen als de mieren aan het graven zijn. Daarmee vormen zich ‘bogen’ in de aarde, die een grotere diameter hebben dan de tunnels zelf. Dit verkleint de belasting op de korrels aarde binnen de bogen, waar de mieren hun tunnels bouwen.

Het verplaatsen van de aarde wordt zo gemakkelijker voor de mieren, zonder instortingsgevaar. Bovendien maken die bogen de tunnels sterker en duurzamer.

Precies de juiste korrels

‘We dachten dat mieren misschien een soort Jenga speelden; dat ze voorzichtig voelde welke korrels de minste weerstand boden en die dan verwijderden’, zegt Andrade. Hij zegt dat het nu duidelijk is dat de mieren niets weten over krachten en geen tekenen vertonen van besluitvorming. In plaats daarvan volgen ze een eenvoudig gedragsalgoritme dat zich mettertijd heeft ontwikkeld.

De mieren hebben de neiging om relatief rechte tunnels te graven, die afdalen met de hellingshoek, de hoek waarbij korrelig materiaal van nature heuvels vormt. In dit geval was die 40 graden. Daarnaast verwijderden ze precies de juiste korrels om beschermende bogen boven de tunnels te maken.

Riskante mijnbouw

‘Op opmerkelijke wijze, bijna bij toeval, hebben ze een graaftechniek ontwikkeld die in overeenstemming is met natuurwetten en ook nog eens ontzettend efficiënt is’, zegt Andrade.

De onderzoekers geloven dat ze het gedragsalgoritme verder kunnen analyseren en uiteindelijk repliceren. Wellicht heeft het een toepassing in geautomatiseerde mijnrobots. Die kunnen ingezet worden op aarde, maar ook op andere planeten, waar riskante mijnbouw nog gevaarlijker zou zijn voor mensen.

LEESTIP: Tunnels bouwen is niet de enige waanzinnige prestatie van de mier. Mieren zitten vol verrassingen, waarover je alles leest in De mierenmaatschappij. Te bestellen in onze webshop.