Estruturas hexagonais perfeitas inspiradas em favos de mel em ninhos de abelhas são amplamente utilizadas para construir tudo, desde asas de aviões, barcos e carros a esquis, snowboards, embalagens e materiais de amortecimento acústico.
Os desafios surgem quando as restrições de espaço ou reparos exigem que os engenheiros mantenham uma estrutura mecanicamente forte ao conectar os painéis colméia industriais, cada um com células de tamanhos diferentes. Computadores de alto desempenho usados com impressoras 3D podem resolver esse problema no futuro, mas as abelhas poderiam fornecer uma estratégia mais eficiente e adaptável?
Um novo estudo descobriu que sim. Acontece que as abelhas são arquitetos habilidosos que planejam com antecedência e criam células de formato irregular e uma variedade de ângulos para unir estruturas uniformes quando o espaço limitado as restringe.
Imagens especiais de favos de mel naturais e modelagem de computador revelaram que as abelhas operárias mudarão a inclinação, o tamanho e as formas geométricas das células para atender a diferentes desafios de construção, de acordo com o artigo, “Construção de pente imperfeita revela as habilidades arquitetônicas das abelhas”, publicado em 26 de julho nos procedimentos da Academia Nacional de Ciências.
“Neste estudo fundamental, vimos um sistema evoluído naturalmente que resolve desafios semelhantes de uma maneira quase ideal”, disse Kirstin Petersen, professor assistente de engenharia elétrica e de computação na Faculdade de Engenharia e co-autor do artigo.
“Compreender como a evolução pode levar a esses organismos que possuem truques arquitetônicos nos dá insights sobre como você pode construir estruturas que são polivalentes, fortes e resilientes a diferentes perturbações ambientais”, disse o primeiro autor Michael L. Smith, Ph.D. ’17, professor assistente de ciências biológicas na Auburn University, que começou este trabalho enquanto estava em Cornell.
As abelhas são conhecidas por construir dois tipos de células hexagonais em favo de mel: pequenas para criar abelhas operárias e maiores para criar zangões, as abelhas reprodutoras machos. Um desafio – e alguma premeditação – surge quando as abelhas devem ligar as redes feitas de células menores com as maiores, porque as geometrias não permitem um encaixe perfeito. Um problema é que as abelhas não remodelam suas células. “Qualquer ação que eles tomem em um local decidirá efetivamente o que vai acontecer mais tarde”, disse Petersen. Além disso, para as abelhas, a cera é o material mais caro energeticamente, disse Smith.
“Quando eles constroem algo de cera, estão sendo o mais frugais possível”, disse Smith, que também é membro afiliado do Instituto Max Planck de Comportamento Animal da Universidade de Konstanz, na Alemanha.
Como resultado, as abelhas empregam outras formas – pentágonos ou heptágonos – para unir painéis de drones perfeitamente hexagonais e células de operárias. Junto com a construção de células de diferentes formatos, as abelhas também constroem células de tamanhos irregulares e, às vezes, até combinam vários tipos de células irregulares. Os autores referem-se a esses pares e trigêmeos de células irregulares como “motivos” e mostram que combinações específicas ocorrem com mais frequência do que o esperado ao acaso.
Às vezes, as abelhas deixam de construir um tipo de célula para outro, mas fazem essa mudança gradualmente, em várias células, o que sugere que estão pensando no futuro, disse Petersen.
No estudo, Smith montou 12 colônias no campo com estruturas que não continham a cera e o arame usuais, para que as abelhas pudessem construir favos de mel naturais sem guias. No final da temporada, os pesquisadores pegaram imagens especialmente iluminadas e escreveram um software personalizado para identificar, classificar e medir automaticamente os vértices, ângulos, tamanhos e geometrias de milhares de células. O co-autor Nils Napp, professor assistente de engenharia elétrica e de computação na Faculdade de Engenharia, desenvolveu um modelo teórico de computador que lhes permitiu analisar configurações e testar maneiras ideais de como as células podem se encaixar de maneira contínua sob as restrições de espaço. Eles usaram o modelo para perguntar: quão melhor as abelhas poderiam fazer? “E ao que parece, não muito melhor”, disse Petersen.
Mais de 200 anos atrás, a entomologista suíça Françoise Huber sugeriu que as abelhas poderiam usar células intermediárias para fundir um favo de mel, mas ele não tinha as ferramentas modernas para medir milhares de células e validar sua ideia.
“Essas ferramentas realmente exigiam isso para mostrar isso com rigor”, disse Smith. “Portanto, não é surpreendente que ninguém tenha feito isso antes.”
Em trabalhos futuros, os pesquisadores podem explorar se os favos de mel são otimizados para resistência mecânica e testar a amplitude do repertório arquitetônico da abelha.
Publicado em 28/07/2021 17h09
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