Recolección de datos

Una vez instalado el camino, se realizaron varios experimentos donde se analizó el PTEH, el número de colisiones y el tiempo de recuperación con diferentes esquemas de iluminación. Para cada experimento, se dispusieron diferentes sistemas de iluminación e intensidades (Cuadro 1).

Los tres niveles del experimento dividen el tipo de iluminación, la amplitud del camino y la intensidad de iluminación. Es importante mencionar que las hormigas depositaron feromonas en el sendero antes de realizar las pruebas. Los experimentos se configuraron de la siguiente manera:

a: PTEH y número de impactos en el camino angosto con diferentes iluminaciones estroboscópicas blancas (STI, por sus siglas en inglés). En el primer experimento, los pulsos luminosos se aplicaron verticalmente hacia la superficie superior de la cabeza de la hormiga (Figura 2a). En el segundo experimento, un espejo de pared reflejó la luz proveniente de una matriz L300 girado por 45° (Figura 2b). El espejo se desvió para poder llegar a la cabeza de la hormiga, y si la altura del espejo era mayor, la pendiente era más pronunciada. Para optimizar la inclinación, un perno de precisión empujó el espejo hasta que el punto luminoso llegó al lugar deseado (cara de la hormiga), simulado por una pieza de madera de 3 cm. Cada experimento se realizó con 100 hormigas y se repitió tres veces.

Figura 2. a) Cabeza de hormiga iluminada desde la parte superior con una matriz L300, b) iluminación reflejada con un espejo, y c) iluminación con control lateral LED. 

b: Tiempo de adaptación de la hormiga al iluminar directamente su ojo con el sistema LED lateral (Figura 2c). Se realizaron diez experimentos con 50 hormigas cada uno. En cinco experimentos se utilizaron pulsos de intensidad luminosa de 300 lx, y en el resto la intensidad fue de 900 lx. Ambos experimentos (con 300 y 900 lx) utilizaron pulsos simples de 1, 4, 8, 10 y 60 ms, con lo cual se evaluaron 250 hormigas por intensidad luminosa. Cada hormiga estimulada con luz que se detuvo se levantó cuidadosamente con unas pinzas y se colocó dentro de un recipiente de plástico en un espacio oscuro (^{Farji-Brener et al., 2010}). El tiempo transcurrido antes de que la hormiga mueve la cabeza corresponde al periodo de adaptación a la oscuridad y se contabilizó con un cronómetro de precisión. Media hora después, cada hormiga se colocó en el camino oscuro para evaluar su adecuada orientación.

c: Hormigas que abandonaron el camino (HAC) de 60 mm de ancho al final después de ser iluminadas con pulsos blancos reflejados en el espejo. Se realizaron 12 experimentos con 10 repeticiones cada uno para determinar la cantidad de HAC. Durante cada experimento, 100 hormigas entraron en el camino, y después de que el 25 % de ellas lo abandonaran, se aplicaron pulsos luminosos. Los fotodetectores láser contaron el número de hormigas a la entrada y a la salida de cada recorrido. A lo largo del camino, se aplicaron cuatro pulsos distintos de luz de 10 ms (3, 6, 9 y 12), con una frecuencia de 90 pulsos por minuto, y tres intensidades de luz diferentes (300, 900 y 1800 lx). La segunda matriz L300 proporcionó tres o seis pulsos, y para 12 pulsos, la segunda y la tercera matriz aplicaron seis pulsos cada una. La observación visual ayudó a comprender por qué las hormigas regresaban a la entrada.

d: Estado y trayectoria de las hormigas después del destello lateral de luz LED. Se realizaron dos experimentos diferentes que se repitieron cinco veces, con 100 hormigas cada uno. En el primer experimento, se aplicaron pulsos de luz al 33 % de las hormigas que pasaron por el camino; se contó la cantidad de HAC inmediatamente y al cabo de 7 min. El tiempo de recuperación o de adaptación de las hormigas a la oscuridad determinó su estado. En el segundo experimento, se aplicaron pulsos laterales de luz a cinco hormigas consecutivas, y se contó el número de HAC.

e: Estado y trayectoria de las hormigas después de la iluminación límite L300. El sistema de iluminación en el extremo del camino consistió en un dispositivo L300 horizontal fijo a 3 cm del suelo. Las hormigas entraron por ambos carriles y se construyó una ruta alternativa. El sistema L300 proporcionó pulsos con un ciclo de trabajo del 20 % con diferentes frecuencias durante 12 s para las hormigas lideres. Se obtuvo el umbral de intensidad luminosa que obligó a las hormigas a cambiar de ruta utilizando pulsos de luz de 10 Hz por 20 ms, 30 Hz por 6.6 ms, 100 Hz por 2 ms y 200 Hz por 1 ms. Para cada grupo de hormigas se seleccionó una frecuencia-duración de pulso, comenzando con una fuente de luz L300 de 250 lx. La intensidad se incrementó en 50 lx hasta que las hormigas cambiaron de ruta, con lo cual se obtuvo el umbral de intensidad luminosa (Figura 3). El experimento se repitió cinco veces con dicho umbral para garantizar su eficacia.

Figura 3. Diagrama de bloques para obtener la intensidad de iluminación necesaria para que las hormigas cambien de ruta. 

Iluminación LED y L300 lateral

La luz aplicada verticalmente desde la matriz L300 se reflejó en la cabeza de las hormigas, pero nunca llegó a sus ojos (Figura 2a). Las colisiones de hormigas (22.3 ± 0.29; promedio ± error estándar) causadas por el reflejo en el espejo aumentaron durante la noche a medida que el 75 % de la iluminación L300 llegó a sus ojos. En el camino reflejado por el espejo, el tamaño y la velocidad de las hormigas no garantizaron una iluminación perfecta en sus ojos. Después de reflejar el rayo en el sistema de espejos, aumentó el área de cobertura, pero redujo el poder convergente. Además, el filtro de L300 suaviza el rayo LED, lo cual reduce su intensidad. La proyección del rayo en el espejo puede ser útil a nivel de laboratorio, pero es difícil de aplicar sobre el terreno.

La probabilidad de que la luz LED ilumine el ojo de la hormiga depende de su tamaño, velocidad y frecuencia estroboscópica, por lo cual se diseñó un sistema de iluminación controlada para hacer frente a estas variables. Después de que la cabeza de la hormiga bloquea por primera vez el rayo láser rojo, el fotodetector activa un retardo (Figura 2c). Una vez finalizado el tiempo de espera, se enciende una luz LED blanca que ilumina con precisión el ojo de la hormiga. Con un ojo de 0.69 mm de longitud (^{Moser et al., 2004}) y una velocidad de marcha de 1.6 cm∙s-1, el sistema LED lateral debe emitir un pulso luminoso de 43 ms, lo cual se podría implementar mediante nueve pulsos de 1 ms a 200 Hz (20 % de ciclo de trabajo), o dos de 6.6 ms a 30 Hz (20 % de ciclo de trabajo). El sistema de iluminación proporciona periodos de encendido de 13.2 ms a 30 Hz o 9 ms a 200 Hz, lo cual representa menos del 30 % del pulso luminoso necesario de 43 ms. Una frecuencia inferior de 1.5 Hz (20 % de ciclo de trabajo) proporcionaría un pulso de 133 ms.

Como los pulsos de luz solo penetraron un ojo de la hormiga con el sistema LED de precisión lateral, las hormigas nunca perdieron su sistema visual. Después de exponer a las hormigas al estimulador LED dentro de los caminos con una sola vía, las hormigas aturdidas se detuvieron durante 2 a 3 s. Este estímulo permitió determinar el efecto de los pulsos de luz sobre la adaptación de la visión de las hormigas y el tiempo de recuperación de la marcha. Debido al corto periodo de destello (43 ms) con diferentes frecuencias, las hormigas no se quedaron ciegas y, aunque perdieron algunos receptores, pudieron llegar al final del trayecto (^{Schwarz & Wystrach, 2011}).

En el Cuadro 2 se muestran los resultados obtenidos luego de aplicar pulsos luminosos nocturnos con intensidades de 300 y 900 lx durante distintos periodos de tiempo (experimento b). El pulso luminoso aplicado al ojo de la hormiga la alteró, por lo cual requirió un tiempo de recuperación para volver a caminar con normalidad. La duración del destello afecta el tiempo de adaptación, el cual incrementa a medida que aumenta la intensidad de la luz. Con un pulso de 50 ms de 900 lx, la adaptación a la oscuridad aumentó a 1169 ± 6.05 s (promedio ± error estándar). En promedio, el 90 % de las hormigas resistió el pulso de luz de 1.5 Hz por 50 ms, y solo el 11.2 % perdió su buena orientación. Las hormigas que recibieron el destello durante más de 5 ms presentaron problemas de orientación (Cuadro 2).

Experimentos en caminos amplios

Para los escenarios experimentales c, d y e se utilizó un camino más ancho de 60 mm entre las paredes. Después del quinto pulso de luz, las hormigas lideres chocaron dentro de la línea de tránsito (Figura 4a). La nueva hormiga líder se desplazó a otro carril, y las demás hormigas la siguieron. Las hormigas regresaron al inicio del camino, luego de producirse dos colisiones y no poder avanzar (Figura 4b). El valor mínimo de las HAC (hormigas que abandonaron el camino) que se obtuvo fue de 25 %, ya que los pulsos blancos se empezaron a emitir después de que 25 hormigas abandonaran el camino. El promedio de HAC nunca estuvo por debajo de 95.3 ± 0.82 % para intensidades de 300 lx. Las hormigas que recibieron tres pulsos de 10 ms con una intensidad de 1 800 lx registraron un valor de HAC mínimo de 99.3 ± 0.67 %. Muchas hormigas abandonaron el camino por donde entraron con 12 pulsos, teniendo promedios de HAC de 62.33 ± 1.26 % y 32.9 ± 2.33 % para intensidades de luz de 900 y 1 800 lx, respectivamente (Figura 4c). Un HAC igual a 32.9 % indica que solo 33 % de las hormigas abandonaron el camino al final y el otro 67 % regreso a la entrada. Las hormigas que recibieron nueve pulsos con una intensidad de 1800 lx también se regresaron (HAC = 61.2 ± 2.53 %). En ambos casos, las elipses rojas señalan a las HAC que salen por la entrada (Figura 4c).

Figura 4. Hormigas saliendo del camino: a) luego de una colisión, b) luego de dos colisiones, y c) de acuerdo con el número de pulsos luminosos de 10 ms y de la intensidad luminosa. 

Las hormigas obreras que caminaron en líneas paralelas (Figura 4) recibieron pulsos de luz LED laterales en sus ojos. Cuando las hormigas se movían por el sendero y se seguían unas a otras, la irradiación aplicada llegaba a sus caras. Sin embargo, como las hormigas no tienen el mismo tamaño y la exposición no es continua, algunos ejemplares no recibieron ningún impulso luminoso. Al recibir la irradiación, la hormiga redujo su velocidad y perdió el rumbo. Una hormiga que recibe un pulso de luz de 300 lx, por 50 ms a 1.5 Hz, necesita 6.7 min para recuperarse (Cuadro 2). De cada 100 hormigas, 33 fueron alumbradas por el sistema LED lateral. Después de que 33 % de las hormigas recibieron estímulos luminosos de 900 lx por 35 ms a 1.5 Hz, solo 66.8 ± 0.49 % de las HAC al final. Por otro lado, 82.4 % fueron inmediatamente a la salida cuando recibieron nueve pulsos luminosos de 300 lx por 1 ms a 200 Hz (Cuadro 3), 15.4 % de las hormigas fueron a la salida del camino entre el primer y el séptimo minuto, y el 2.2 % restante seguía en modo de recuperación, pero ninguna murió.

Un total de 26.8 ± 0.37 % de las hormigas, alcanzadas por pulsos de alta frecuencia de 900 lx, se recuperaron entre el primer y el séptimo minuto. De forma similar, 24.8 ± 0.37 % de las hormigas se recuperaron de la estimulación de baja frecuencia de 300 lx. Estos valores tienen sentido al comprobar los tiempos de adaptación a la oscuridad del Cuadro 3. Cuando se iluminaron cinco hormigas consecutivamente con LED laterales, todas se detuvieron, lo cual obligó a las seguidoras a cambiar de ruta.

Algunos pulsos luminosos precisos alcanzaron los ojos de las hormigas y las detuvieron en los caminos más anchos. Con más espacio en el camino ancho, las hormigas pudieron girar y no se detuvieron al encontrar una hormiga inmóvil. Las hormigas que giraron evitaron chocar y siguieron su camino en línea recta. Después de que dos o tres hormigas se deslumbraron y el camino se bloqueara, las hormigas se comunicaron entre ellas por medio de sus antenas (^{Gordon, 2019}). Las hormigas regresaron a la entrada sin confusión y permanecieron juntas. Sin feromonas depositadas por las hormigas inmóviles (^{Franks et al., 1991}), otras hormigas circularon ocasionalmente por el camino. Algunas hormigas aturdidas fueron empujadas hacia la salida por sus compañeras, pero otras permanecieron dentro del camino, tardando hasta 20 min en recuperarse y adaptarse a la oscuridad (Cuadro 2). Las hormigas se desplazaron dentro del camino sin la orientación adecuada y golpearon a otras hormigas.

Desvío de ruta con iluminación al final del recorrido

Sin encender la matriz horizontal L300 fija al final del camino, las hormigas nunca cambiaron de ruta. Se puede forzar un cambio en la ruta si se supera un umbral de destello ocular de 1 000 lx de iluminación continua (Figura 5). El porcentaje de hormigas que tomó la ruta bifurcada fue siempre del 100 %, pero para distinguir a los umbrales se varió entre 96 y 100 % (Figura 6). La cantidad de luz recibida por las hormigas durante 12 s fue la misma para todas las frecuencias, ya que utilizaron el mismo ciclo de trabajo de 20 %. Al aumentar la distancia entre la matriz L300 y el punto de rotación (ruta bifurcada), se requiere más intensidad luminosa para cambiar la ruta de las hormigas; por lo tanto, se requirió un umbral de 724 lx con destellos de 10 Hz por 20 ms, y solo 500 lx con pulsos de 30 Hz por 6.6 ms. El pulso de adaptación a la oscuridad de 30 Hz fue a 26.7 ms por cada pulso de luz de 6.6 ms. Este periodo no permite que los fotodetectores oculares vuelvan a 0 V. En el caso del destello de 200 Hz por 1 ms, el cambio de ruta se produjo con iluminación de 300 lx, pero el pulso oscuro de 4 ms también fue demasiado corto para que el fotodetector ocular se adaptara a la oscuridad. Si la intensidad luminosa se aplica por menos de 5 s en el límite final, las hormigas continúan su camino con normalidad.

Figura 5. Camino de las hormigas con iluminación LED precisa: a) con iluminación en el límite y b) sin iluminación en el límite. 

Figura 6. Umbral de destello e iluminación continua con L300 para que las hormigas tomen una ruta alternativa. 

Los pulsos enviados desde el final del camino durante 12 s provocaron que las hormigas cambiaran de ruta sin choques ni embotellamientos. La intensidad de la iluminación L300 se controló mediante el voltaje aplicado, y cuando superó el 75 % de su valor máximo las hormigas se alejaron y no treparon al árbol. Un control activaba las lámparas durante el atardecer cuando las hormigas se trepaban a los árboles (Figura 7). Todas las hormigas cambiaron su ruta cuando se mantuvo la intensidad luminosa, y depositaron feromonas sobre su nuevo camino. En condiciones ambientales, se requiere un manejo adecuado de la iluminación. Los cambios de movimiento durante un evento pueden ser una característica adaptativa del cerebro de las hormigas (^{Hunt et al., 2016}). Esta respuesta se puede observar durante tormentas de lluvia (^{Farji-Brener et al., 2018}), ataques de depredadores o bajo potentes estímulos intensos de iluminación. ^{Gallotti y Chialvo (2017)} demostraron que las hormigas pueden determinar su próximo movimiento en su camino y no requieren estar en reposo.

Figura 7. Control en árbol para encender el sistema de iluminación de protección. 

Aplicación como control de plagas

Esta investigación proporciona conceptos básicos de iluminación para el control de plagas, al desviar a las hormigas antes de llegar al tronco del árbol. La instalación del sistema de iluminación juega un papel muy importante, ya que es esencial que los impulsos luminosos lleguen a los ojos de las hormigas. La producción de mango en la siguiente temporada depende de una poda exitosa para estimular la ramificación de los brotes laterales y formar un dosel denso que florezca (^{Davenport, 2006}). Este sistema de iluminación perimetral ecológico y libre de productos químicos puede evitar que Atta cephalotes busque hojas tiernas después de la poda. El sistema de iluminación perimetral dio excelentes resultados a nivel del suelo, ya que es agresivo contra las hormigas y produce cambios de ruta. La luz LED al nivel del suelo es muy susceptible y riesgosa frente a condiciones ambientales como la lluvia, el viento, la materia orgánica, la discontinuidad del suelo y el paso de otros animales. Por ello, se están probando diferentes modalidades de LED. La frecuencia de parpadeo alta (200 Hz) o baja (90 pulsos por minuto) pueden cambiar los recorridos de las hormigas si se utilizan correctamente.

Si se quiere utilizar el sistema en un huerto, se deben instalar 100 sistemas por hectárea (uno por árbol). La energía necesaria por árbol se puede recolectar con un panel solar de 40 W (Figura 7) y guardarse en una batería para poder usarla durante la noche. A nivel del suelo, un tubo de PVC permite que las hormigas caminen hasta el tronco del árbol y un circuito detecta cuando suben las hormigas. En un lado del PVC (Figura 7, bloque naranja), las luces LED están fijas y se encienden cuando un fototransistor (TEPT5700, Vishay, India) se activa mediante un diodo emisor de baja potencia (XZCDGK53W-8VF, SunLED Company Limited, Hong Kong). Esta acción tiene lugar cuando las hormigas circulan. ^{Hahn y Martínez (2023)} publicaron el circuito completo, donde utilizan dos MOSFET¨s de baja potencia junto con un microcontrolador CC2541 (Texas Instruments, EUA). El costo por árbol se muestra en el Cuadro 4, y es de $34.20 USD. Si una caja de 30 kg se puede pagar a $10.00 USD, y un panel solar sirve para dos árboles, el sistema puede resultar muy rentable. El sistema está protegido contra erosión hídrica causada por tormentas mediante el cierre del tubo de PVC, lo cual evita daños en los circuitos y las lámparas LED.

En 2018, 60 % de los árboles fueron atacados por hormigas y la producción de los árboles disminuyó 35 %. Los árboles de mango muy maduros, con 30 años de edad, estuvieron menos propensos al ataque de hormigas, ya que las hojas jóvenes estaban muy elevadas, y durante 2019 sólo dos árboles fueron atacados por hormigas. Los árboles de mango de 10 años, con hojas tiernas más bajas, fueron atacados más frecuentemente y se encontraron caminos cubiertos por secciones de hojas en el 55 % de los árboles. En 2019, la producción de mango disminuyó 28 %. El uso del sistema en 30 árboles de 10 años durante la noche evitó que las hormigas se alimentaran del follaje.