Un moulage d’un nid fait par une espèce de fourmi trouvée en Floride à côté d’un homme adulte pour l’échelle. Crédit : Charles F. Badland
Imaginez une fourmilière. Que vois-tu? Un petit monticule de sable et de terre friable surgissant de la pelouse ? Un petit trou disparaissant dans le sol ? Quelques fourmis se bousculent activement. Pas très impressionnant, non ?
Mais glissez-vous sous la surface et la simplicité aérienne cède la place à la complexité souterraine. Des tunnels plongent vers le bas, se ramifient et mènent à des chambres spécialisées qui servent de foyer à la reine de la colonie, de pépinières pour ses petits, de fermes pour les champignons cultivés pour la nourriture et de dépotoirs pour ses déchets. Ce ne sont pas que des terriers. Ce sont des villes souterraines, dont certaines abritent des millions d’individus, atteignant jusqu’à 25 pieds sous terre, durant souvent des décennies.
Ce type de construction serait une entreprise impressionnante pour la plupart des créatures, mais lorsqu’elle est réalisée par des animaux qui ne deviennent pas beaucoup plus gros que votre ongle, elle est particulièrement remarquable.
Aujourd’hui, motivée par le désir d’améliorer notre propre capacité à creuser sous terre, que ce soit pour l’exploitation minière, le métro ou l’agriculture souterraine, une équipe de chercheurs de Caltech a percé l’un des secrets de la façon dont les fourmis construisent ces structures étonnamment complexes et stables.
Dirigée par le laboratoire de Jose Andrade, professeur George W. Housner de génie civil et mécanique, l’équipe a étudié les habitudes de creusement des fourmis et a découvert les mécanismes qui les guident. La recherche est décrite dans un article publié dans la revue Actes de l’Académie nationale des sciences.
À quoi pensent les fourmis (le cas échéant) ?
Avant de commencer cette recherche, Andrade, qui est également le président de leadership Cecil et Sally Drinkward et directeur général pour le génie mécanique et civil, avait une grande question à laquelle il voulait répondre : les fourmis « savent-elles » comment creuser des tunnels, ou sont-elles simplement aveuglées creusement?
“Je me suis inspiré de ces nids de fourmis exhumés où ils y versent du plastique ou du métal en fusion et vous voyez ces vastes systèmes de tunnels incroyablement impressionnants”, explique Andrade. “J’ai vu une photo de l’un d’eux à côté d’une personne et j’ai pensé ‘Mon Dieu, quelle structure fantastique.’ Et je me suis demandé si les fourmis ‘savaient’ comment creuser.
« Nous n’avons interrogé aucune fourmi pour lui demander si elle savait ce qu’elle faisait, mais nous sommes partis de l’hypothèse qu’elle creuse de manière délibérée », explique Andrade. “Nous avons émis l’hypothèse que les fourmis jouaient peut-être au Jenga.”
Time-lapse de la construction du tunnel en 3D et en temps réel à l’aide de rayons X. La vidéo montre la surface (marron) du volume de terre enlevée par les fourmis du conteneur (bleu). Crédit : Caltech
Ce qu’il veut dire par “jouer à Jenga”, c’est que l’équipe soupçonnait que les fourmis se frayaient un chemin dans la terre, à la recherche de grains de terre meubles à enlever, de la même manière qu’une personne jouant à Jenga recherche des blocs lâches qui sont sûrs pour sortir de la pile. Les blocs qui ne peuvent pas être retirés – ceux qui supportent la charge de la pile – feraient partie des « chaînes de force » de la structure, l’ensemble des pièces coincées par les forces qui leur sont imposées.
“Nous avons émis l’hypothèse que les fourmis pouvaient détecter ces chaînes de force et éviter de creuser là-bas”, explique Andrade. “Nous avons pensé qu’ils exploitaient peut-être des grains de sol, et de cette façon, ils pourraient évaluer les forces mécaniques sur eux.”
Les fourmis font ce qu’elles veulent
Pour en savoir plus sur les fourmis, l’équipe avait besoin d’avoir des fourmis à étudier. Mais Andrade est un ingénieur, pas un entomologiste (quelqu’un qui étudie les insectes), il a donc demandé l’aide de Joe Parker, professeur adjoint de biologie et de génie biologique, dont les recherches portent sur les fourmis et leurs relations écologiques avec d’autres espèces.
“Ce dont Jose et son équipe avaient besoin, c’était de quelqu’un qui travaille avec les fourmis et comprend les comportements adaptatifs et collectifs de ces insectes sociaux pour leur donner un contexte pour ce qu’ils faisaient”, explique Parker.
L’image de gauche représente les efforts grain à grain dans une section transversale du tunnel avant le creusement, tandis que la droite représente les efforts après le creusement dans ladite section transversale. Plus la ligne est audacieuse, plus la force est forte. Nous voyons que les forces près de la surface du tunnel deviennent beaucoup plus faibles après l’excavation, en raison de la formation d’arcs dans le matériau. Ainsi, les lignes les plus lourdes sont affaiblies, mais même les lignes les moins lourdes deviennent également plus fines. Crédit : Caltech
Avec Parker à bord, l’équipe a commencé à élever des fourmis et à apprendre à travailler avec elles. C’était un processus qui a pris près d’un an, dit Andrade. Non seulement ils devaient élever suffisamment de fourmis pour travailler, mais il y avait beaucoup d’essais et d’erreurs pour amener les fourmis à creuser dans de petites tasses de sol qu’elles pouvaient charger dans un imageur à rayons X. Grâce à ce travail, ils ont déterminé une taille optimale de tasse à utiliser et un nombre idéal de fourmis à mettre dans chaque tasse. Pourtant, les fourmis n’ont pas toujours coopéré avec les propres priorités des chercheurs.
“Ils sont en quelque sorte capricieux”, dit Andrade. « Ils creusent quand ils veulent. Nous mettions ces fourmis dans un conteneur, et certaines commençaient à creuser tout de suite, et elles feraient des progrès incroyables. Mais d’autres, ce serait des heures et ils ne creuseraient pas du tout. Et certains creusaient pendant un moment, puis s’arrêtaient et faisaient une pause.
Mais une fois que les fourmis se sont mises en route, les chercheurs prenaient les petites tasses et les radiographiaient en utilisant une technique qui créait un scan 3D de tous les tunnels à l’intérieur. En prenant une série de ces scans, en laissant les fourmis travailler un peu entre chacun, les chercheurs ont pu créer des simulations montrant les progrès réalisés par les fourmis alors qu’elles étendaient leurs tunnels de plus en plus sous la surface.
Comprendre la physique des fourmis
Ensuite, l’équipe d’Andrade s’est mise à analyser ce que les fourmis faisaient réellement pendant qu’elles travaillaient, et quelques schémas ont émergé. D’une part, dit Andrade, les fourmis ont essayé d’être aussi efficaces que possible. Cela signifiait qu’ils creusaient leurs tunnels le long des bords intérieurs des coupelles, car la coupelle elle-même ferait partie des structures de leurs tunnels, ce qui leur réduirait le travail. Ils ont également creusé leurs tunnels aussi droit que possible.
“Cela a du sens car une ligne droite est le chemin le plus court entre deux points”, explique Andrade. “Et avec eux, profitant des côtés du conteneur, cela montre que les fourmis sont très efficaces dans ce qu’elles font.”
Une vidéo chronologique des grains sur la surface du tunnel (à gauche) et la force de contact entre lesdits grains (à droite). Chaque image de la vidéo représente un moment distinct dans le temps. Les particules bleues sont des grains qui seront éliminés dans la trame suivante. Crédit : Caltech
Les fourmis ont également creusé leurs tunnels aussi abruptement qu’elles le pouvaient, jusqu’à ce qu’on appelle l’angle de repos. Cet angle représente l’angle le plus raide selon lequel un matériau granulaire (un matériau composé de grains individuels) peut être empilé avant de s’effondrer. Pour comprendre l’angle du repos, imaginez un enfant construisant un château de sable sur la plage. Si l’enfant utilise du sable sec, chaque boule de sable qu’il ajoute glissera sur les côtés du tas qu’il a déjà fait. Plus de sable rendra le tas plus haut, mais aussi plus large, et il ne deviendra jamais plus raide. D’un autre côté, si l’enfant utilise du sable humide, il pourra empiler le sable assez abruptement pour construire des murs, des tours et toutes les autres choses qu’un château de sable pourrait avoir. Le sable humide a un angle de repos plus élevé que le sable sec, et chaque matériau granulaire a un angle qui lui est propre. Les fourmis, dit Andrade, peuvent dire à quel point cet angle est raide pour tout ce qu’elles creusent, et elles ne le dépassent pas. Cela aussi a du sens, dit-il.
« Si je suis un creuseur et que je vais survivre, ma technique de creusement va s’aligner sur les lois de la physique, sinon mes tunnels vont s’effondrer et je vais mourir », dit-il.
Chaque grain vu dans cette vidéo a la même forme, la même position et la même orientation qu’un grain dans l’expérience originale, après l’excavation. La caméra est déplacée dans le tunnel pour donner au spectateur l’expérience qu’aurait une fourmi en traversant le tunnel. Crédit : Caltech
Enfin, l’équipe a découvert quelque chose sur la physique des tunnels de fourmis qui pourrait un jour être utile aux humains.
Lorsque les fourmis enlèvent des grains de terre, elles provoquent subtilement un réarrangement des chaînes de force autour du tunnel. Ces chaînes, quelque peu aléatoires avant que les fourmis ne commencent à creuser, se réorganisent autour de l’extérieur du tunnel, un peu comme un cocon ou une doublure. Ce faisant, deux choses se produisent : 1.) les chaînes de force renforcent les parois existantes du tunnel et 2.) les chaînes de force soulagent la pression des grains au bout du tunnel où les fourmis travaillent, ce qui facilite la tâche des fourmis. fourmis pour les retirer en toute sécurité.
“C’est un mystère à la fois dans l’ingénierie et dans l’écologie des fourmis comment les fourmis construisent ces structures qui persistent pendant des décennies”, dit Parker. “Il s’avère qu’en supprimant les grains dans ce schéma que nous avons observé, les fourmis bénéficient de ces chaînes de force circonférentielle lorsqu’elles creusent.”
Mais qu’en est-il de la question centrale de l’hypothèse de l’équipe ? Les fourmis savent-elles ce qu’elles font lorsqu’elles creusent ?
Ce que les fourmis savent et ne savent pas
« Ce que nous avons découvert, c’est qu’ils ne semblaient pas « savoir » ce qu’ils faisaient », dit Andrade. « Ils ne cherchaient pas systématiquement les points faibles dans le sable. Au contraire, ils ont évolué pour creuser selon les lois de la physique.
Parker appelle cela un algorithme comportemental.
« Cet algorithme n’existe pas chez une seule fourmi », dit-il. « C’est ce comportement de colonie émergente de toutes ces ouvrières agissant comme un super-organisme. La façon dont ce programme comportemental se propage dans les minuscules cerveaux de toutes ces fourmis est une merveille du monde naturel pour laquelle nous n’avons aucune explication. »
Andrade dit qu’il espère commencer à travailler sur une approche d’intelligence artificielle qui peut émuler cet algorithme comportemental afin de pouvoir simuler la façon dont les fourmis creusent sur un ordinateur. Une partie de cette émulation, dit Andrade, déterminera comment mettre à l’échelle la physique des fourmis pour des tunnels à taille humaine.
“Les matériaux granulaires évoluent de différentes manières que d’autres matériaux comme les fluides ou les solides”, dit-il. « On peut passer d’expériences à l’échelle du grain, en l’occurrence quelques millimètres, à l’échelle métrique, en mettant à l’échelle le coefficient de frottement intergranulaire.
La prochaine étape après ça ? Des fourmis robotisées qui pourraient creuser des tunnels pour les humains.
« Le déplacement de matériaux granulaires est très énergivore, très coûteux et vous avez toujours besoin d’un opérateur sur place pour faire fonctionner les machines », dit-il. « Ce serait la dernière frontière.
Référence : « Unearthing real time 3D ant tunnelingmechanics » par Robert Buarque de Macedo, Edward Andò, Shilpa Joy, Gioacchino Viggiani, Raj Kumar Pal, Joseph Parker et José E. Andrade, 23 août 2021, Actes de l’Académie nationale des sciences.
DOI : 10.1073/pnas.2102267118
Les co-auteurs sont Robert Buarque de Macedo, étudiant diplômé en mécanique appliquée; Shilpa Joya, ancienne doctorante à Caltech ; Edward Andò et Gioacchino Viggiani de l’Université Grenoble Alpes ; et Raj Kumar Pal de l’Université d’État du Kansas.
Le financement de la recherche a été assuré par une subvention du United States Army Research Office.
