Entomology Today
Foto von Alexander Wild. http://www.alexanderwild.com
Im Journal of Biomechanics berichten Forscher, dass das Nackengelenk einer gewöhnlichen amerikanischen Feldameise einem Druck standhalten kann, der bis zum 5.000-fachen des Gewichts der Ameise reicht.
„Ameisen sind beeindruckende mechanische Systeme – wirklich erstaunlich“, sagt Carlos Castro, Assistenzprofessor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der Ohio State University. „Bevor wir anfingen, machten wir eine etwas konservative Schätzung, dass sie das 1.000-fache ihres Gewichts aushalten könnten, und es stellte sich heraus, dass es viel mehr war.“
Die Ingenieure untersuchen, ob ähnliche Gelenke zukünftige Roboter in die Lage versetzen könnten, die Fähigkeit der Ameisen zum Heben von Gewichten auf der Erde und im Weltraum zu imitieren.
Andere Forscher haben lange Zeit Ameisen im Feld beobachtet und vermutet, dass sie das Hundertfache ihres Körpergewichts oder mehr heben könnten, wenn man nach der Nutzlast von Blättern oder Beute urteilt, die sie tragen. Castro und seine Kollegen wählten einen anderen Ansatz.
Sie nahmen die Ameisen auseinander.
„Wie in jedem technischen System, wenn man verstehen will, wie etwas funktioniert, nimmt man es auseinander“, sagte er. „
Die Ingenieure untersuchten die Allegheny-Hügelameise (Formica exsectoides), als wäre sie ein Gerät, das sie nachbauen wollten: Sie testeten ihre beweglichen Teile und die Materialien, aus denen sie besteht.
Sie wählten diese spezielle Art, weil sie im Osten der Vereinigten Staaten häufig vorkommt und in der Insektensammlung der Universität leicht zu bekommen war. Es ist eine durchschnittliche Feldameise, die nicht besonders für ihre Hebefähigkeit bekannt ist.
Sie bildeten die Ameisen mit Elektronenmikroskopie ab und röntgten sie mit Mikro-Computertomographie (micro-CT) Maschinen. Sie legten die Ameisen in einen Kühlschrank, um sie zu betäuben, und steckten sie dann mit dem Gesicht nach unten in eine speziell konstruierte Zentrifuge, um die Kraft zu messen, die nötig ist, um den Hals zu deformieren und schließlich den Kopf vom Körper zu trennen.
Die Zentrifuge funktionierte nach dem gleichen Prinzip wie ein gewöhnliches Fahrgeschäft, das „der Rotor“ genannt wird. Im Rotor dreht sich ein kreisförmiger Raum, bis die Zentrifugalkraft die Menschen an die Wand drückt und der Boden herausfällt. Im Fall der Ameisen waren ihre Köpfe auf dem Boden der Zentrifuge festgeklebt, so dass die Körper der Ameisen beim Drehen nach außen gezogen wurden, bis ihre Hälse brachen.
Die Zentrifuge drehte sich bis zu Hunderten von Umdrehungen pro Sekunde, wobei jede Erhöhung der Geschwindigkeit mehr Kraft nach außen auf die Ameise ausübte. Bei Kräften, die dem 350-fachen des Körpergewichts der Ameisen entsprachen, begann sich das Halsgelenk zu strecken und der Körper zu verlängern. Bei Kräften, die dem 3.400- bis 5.000-fachen des durchschnittlichen Körpergewichts entsprachen, brachen die Hälse der Ameisen.
Mikro-CT-Scans zeigten die Weichteilstruktur des Halses und seine Verbindung mit dem harten Exoskelett des Kopfes und Körpers. Elektronenmikroskopische Aufnahmen zeigten, dass jeder Teil der Kopf-Hals-Brust-Verbindung mit einer anderen Textur bedeckt war, mit Strukturen, die wie Beulen oder Haare aussahen, die sich von verschiedenen Stellen aus erstreckten.
„Andere Insekten haben ähnliche mikroskalige Strukturen, und wir denken, dass sie eine Art mechanische Rolle spielen könnten“, sagte Castro. „Sie könnten die Art und Weise regulieren, wie das weiche Gewebe und das harte Exoskelett zusammenkommen, um die Belastung zu minimieren und die mechanische Funktion zu optimieren. Sie könnten Reibung erzeugen oder ein bewegliches Teil gegen das andere abstützen.“
Ein weiteres wichtiges Merkmal des Designs scheint die Schnittstelle zwischen dem weichen Material des Halses und dem harten Material des Kopfes zu sein. Solche Übergänge erzeugen normalerweise große Spannungskonzentrationen, aber die Ameisen haben einen abgestuften und allmählichen Übergang zwischen den Materialien, der eine verbesserte Leistung bietet – ein weiteres Konstruktionsmerkmal, das sich bei der Konstruktion von Menschen als nützlich erweisen könnte.
„Jetzt, da wir die Grenzen dessen verstehen, was diese spezielle Ameise aushalten kann und wie sie sich mechanisch verhält, wenn sie eine Last trägt, wollen wir verstehen, wie sie sich bewegt. Wie hält sie ihren Kopf? Was ändert sich, wenn die Ameise Lasten in verschiedene Richtungen trägt?“
Diese Forschung könnte eines Tages zu mikroskopisch kleinen Robotern führen, die weiche und harte Teile kombinieren, so wie der Körper der Ameise. Viele Arbeiten in der Robotik befassen sich heute mit dem Zusammenbau von kleinen, autonomen Geräten, die zusammenarbeiten können.
Ein schwieriges Problem wird jedoch auftauchen, wenn die Forscher versuchen, große Roboter auf der Grundlage desselben Designs zu schaffen, erklärt Castro.
Ameisen sind im kleinen Maßstab superstark, weil ihre Körper so leicht sind. Innerhalb ihres harten Exoskeletts müssen ihre Muskeln nicht viel Unterstützung leisten, so dass sie ihre ganze Kraft zum Heben anderer Objekte einsetzen können. Der Mensch hingegen trägt aufgrund seines Körpergewichts vergleichsweise schwere Lasten. Da unsere Muskeln unser Körpergewicht unterstützen, haben wir nicht mehr so viel Kraft übrig, um andere Objekte zu heben.
In der Größenordnung von Menschen sind Ameisen jedoch von der grundlegenden Physik überfordert. Ihr Gewicht steigt mit ihrem Gesamtvolumen (Abmessungen im Kubus), während die Kraft ihrer Muskeln nur mit der Oberfläche (Abmessungen im Quadrat) zunimmt. Eine menschengroße Ameise, würde sie außerhalb eines Horrorfilms existieren, wäre also wahrscheinlich nicht so erfolgreich beim Tragen extremer Lasten in menschlichem Maßstab.
Ein großer Roboter, der auf diesem Design basiert, könnte jedoch in der Lage sein, Fracht in der Schwerelosigkeit zu tragen und zu schleppen. Es ist also möglich, dass wir eines Tages riesige Roboterameisen im Weltraum einsetzen, „oder zumindest etwas, das von Ameisen inspiriert ist“, so Castro.
In der Zwischenzeit werden die Ingenieure die Muskeln der Ameise genau untersuchen – vielleicht mit Hilfe von Magnetresonanztomographie. Computersimulationen werden auch helfen, die Frage zu beantworten, wie man ähnliche Strukturen vergrößern kann.