Above the Cloud: La missione delle formiche astronauta

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La missione delle formiche astronauta

"Houston, abbiamo ... . No, no, tranquilli. Nessun problema. Solo per dire che le formiche sono arrivate e stanno bene"

Forse questa è una delle frasi scambiate tra la stazione spaziale internazionale (ISS) e il centro di controllo a terra durante le fasi immediatamente successive all'arrivo sulla Stazione del razzo con astronauti non umani, missione decollata a bordo di uno dei periodici vettori di approvvigionamento privi di equipaggio che partono periodicamente alla volta della ISS.

La Stazione Spaziale Internazionale (©wikipedia)

Le formiche sono infatti tra i primi animali "superiori" ad aver guadagnato il privilegio (invero non richiesto) di vedersi assegnare uno dei costosissimi biglietti per un viaggio sulla ISS.

Motivo della missione, analizzare l'adattamento delle formiche alle condizioni di microgravità, analisi necessaria per sviluppare dei robot (meglio se miniaturizzati) in grado di operare sia in orbita che durante i futuristici voli interplanetari.

Nel dettaglio, una mini-colonia costituita da 600 formiche nere (il tipo che vive comunemente sui nostri balconi) è stata inviata "là, dove nessuna formica è mai stata prima", cioè sulla stazione spaziale internazionale in orbita intorno alla Terra. Il progetto nasce da una idea di Deborah Gordon, dell'università di Stanford.

Come accennato, le formiche sono tra i primi - ma non i primi - organismi imbarcati "deliberatamente" (la navicella, ricordo, non è un luogo sterile, quindi di sicuro molti batteri hanno già sperimentato l'ebrezza del volo) per condurre esperimenti chiave non riproducibili sulla Terra. Esperimenti fondamentali per meglio comprendere le alterazioni biologiche conseguenti alla permanenza nello spazio e per sviluppare sistemi adeguati per il sostentamento degli astronauti del futuro - tra cui la crescita di piante nello spazio - che dovranno affrontare missioni di mesi o anni(o generazioni nel caso di missione extra-solari) senza potere contare su rifornimenti dalla Terra.

Per avere una idea dei test condotti finora con esseri viventi (al 99% microorganismi) trovate una lista QUI e QUI per le piante. Chiaramente non ho nemmeno preso in considerazione i test assolutamente pionieristici condotti negli anni '50 dai sovietici senza i quali, oggettivamente, la missione di Yuri Gagarin non avrebbe potuto avere luogo.

Perché le formiche?

Le formiche possiedono un algoritmo comportamentale che rende possibile lo sviluppo di gruppi sociali complessi. E' noto che variando gli input esterni, le formiche mostrano una considerevole capacità di adattamento; se si riuscisse quindi a decodificare in un algoritmo la loro capacità di rispondere ad ambienti "difficili" e mai sperimentati, questo potrebbe essere utilizzato per programmare automi in grado di espletare funzioni varie all'interno di una stazione orbitante o durante il volo spaziale.

Nota. I membri di una colonia svolgono funzioni estremamente precise, dalla ricerca di cibo all'esplorazione del territorio, dall'identificazione di una minaccia alla manutenzione del formicaio. Ciascuno di questi ruoli è, a differenza di quanto si riteneva fino a pochi anni fa, riprogrammabile a seconda delle necessità (vi rimando ad un precedente articolo su "eusocialità nelle formiche", QUI); una plasticità presente a diversi livelli nelle diverse specie di formiche. Le attività esplorative e di pattugliamento delle formiche sono basate principalmente sull'odore e sul contatto reciproco delle antenne, dato il loro debole senso visivo. A complicare il tutto, il fatto che non esiste una gerarchia di ordini ma ciascuna formica è responsabile della attività di ricerca. Nel corso delle decine di milioni di anni della loro evoluzione (esistevano già all'epoca dei dinosauri!) hanno sviluppato algoritmi comportamentali che in base alla frequenza dei contatti tra membri della colonia, permettono a ciascun membro di "capire" la densità di consimili nell'area e in base a questo regolare il raggio di esplorazione di nuove aree. In altre parole via via che i contatti diventano più radi la formica deduce di essersi allontanata a sufficienza e modifica il tipo di traiettoria. Per essere più precisi, quando i contatti antenna-antenna sono frequenti, le formiche percepiscono che la zona è densamente popolata e iniziano una esplorazione su traiettorie circolari limitate. Mano a mano che i contatti diminuiscono la traiettoria tende ad una linea retta, comportamento questo finalizzato ad esplorare più in profondità il territorio circostante. Questo particolare algoritmo è noto come rete di ricerca in espansione (expandable search network --> pdf) ed ha trovato applicazioni in diversi campi tecnologici come i protocolli che regolano le comunicazioni delle reti cellulari. Un'altra applicazione, in fase sperimentale, è quella legata a flotte di piccoli robot da usare in missioni di esplorazione di edifici pericolanti o da monitorare prima dell'invio di personale (vedi in azioni di anti-terrorismo). Come vero in tutte le reti di comunicazione il punto operativo critico è nell'interruzione dei nodi di controllo; ad esempio come rendere autonomi robot inviati alla ricerca di sopravvissuti in un edificio in fiamme qualora si trovassero isolati dal contatto radio. In queste situazioni dovrebbero sapere "prendere decisioni" in modo autonomo. Un problema, l'assenza di informazioni, a cui le formiche hanno imparato a rispondere. Per argomenti analoghi sulla Swarm Intelligence consiglio di cercare in rete partendo da QUI.

Durante l'esperimento orbitale 70 formiche sono state liberate dai loro contenitori all'interno di aree delle dimensioni di un computer portatile, ciascuna delle quali suddivisa in tre sezioni. Grazie a telecamere collegate a computer sono state registrate le traiettorie delle formiche in condizioni di microgravità; obiettivo principale era vedere la variazione del pattern di esplorazione del territorio mano a mano che le sezioni divisorie nel settore venivano abbassate, con conseguente diminuzione della densità di formiche e aumento della estensione del territorio.

I contenitori delle formiche durante la loro permanenza in orbita (©NASA by Un. of Colorado). Per un ingrandimento ---> QUI

L'esperimento era stato già condotto sulla Terra e aveva mostrato quanto prima descritto, cioè il passaggio da traiettorie circolari a linee rette. L'esperimento nello spazio ha permesso di aggiungere una variabile, la microgravità e questo è equivalente alla interruzione dei contatti radio che un robot in esplorazione sperimenterebbe durante un incendio. In condizioni di microgravità le formiche faticano a tenersi adese alla superficie e ciò interrompe la loro capacità di interagire fisicamente e condividere informazioni. Comprendere il "protocollo" seguito per superare i problemi indotti da questa variabile è utile per capire come programmare i robot.

Non contenti, e per aumentare la mole di dati disponibili i ricercatori hanno pensato di coinvolgere sulla Terra interi gruppi di studenti amanti della scienza affinché riproducessero questi esperimenti (senza la microgravità, ovviamente) con le formiche presenti sul loro territorio. Dato che esistono 12 mila specie di formiche, la gamma di comportamenti è alquanto variegata e sarebbe molto dispendioso fare una analisi comparativa tra le diverse specie. Coinvolgere gli studenti è invece un modo economico e utile in prospettiva didattica per raccogliere molti dati.
Per fare un esempio delle diverse caratteristiche delle formiche, quelle che troviamo nelle nostre cucine sono in genere molto brave nella attività di ricerca rispetto ad altre che vivono in ambienti naturali dove il cibo è più facilmente reperibile.

La guida data ai ragazzi dalla NASA su come fare i test
(credit: NASA)

Il video delle formiche in orbita

E le formiche astronauta?
Rimarranno sulla stazione spaziale a godersi una vista incomparabile. Gli astronauti umani comunque non dovranno temere di trovare la ISS infestata. Per la missione spaziale sono state usate solo formiche operaie sterili.