Entomologia Oggi

Foto di Alexander Wild. http://www.alexanderwild.com

Nel Journal of Biomechanics, i ricercatori riferiscono che l’articolazione del collo di una comune formica di campo americana può resistere a pressioni fino a 5.000 volte il peso della formica.

“Le formiche sono sistemi meccanici impressionanti – stupefacenti, davvero”, ha detto Carlos Castro, assistente professore di ingegneria meccanica e aerospaziale presso la Ohio State University. “Prima di iniziare, abbiamo fatto una stima un po’ conservativa che potrebbero sopportare 1.000 volte il loro peso, e si è rivelato essere molto di più.”

Gli ingegneri stanno studiando se giunti simili potrebbero consentire ai futuri robot di imitare la capacità di sollevamento del peso della formica sulla terra e nello spazio.

Altri ricercatori hanno osservato a lungo le formiche sul campo e indovinato che potrebbero sollevare un centinaio di volte il loro peso corporeo o più, a giudicare dal carico di foglie o prede che hanno portato. Castro e i suoi colleghi hanno adottato un approccio diverso.

Hanno smontato le formiche.

“Come si farebbe in qualsiasi sistema di ingegneria, se si vuole capire come funziona qualcosa, lo si smonta”, ha detto. “

Gli ingegneri hanno esaminato la formica di Allegheny (Formica exsectoides) come se si trattasse di un dispositivo di cui si vuole fare il reverse engineering: hanno testato le sue parti mobili e i materiali di cui è fatta.

Hanno scelto questa particolare specie perché è comune negli Stati Uniti orientali e potrebbe essere facilmente ottenuta dall’insettario dell’università. Si tratta di una formica di campo media che non è particolarmente nota per la sua capacità di sollevamento.

Hanno fotografato le formiche con la microscopia elettronica e le hanno radiografate con macchine per la tomografia microcomputerizzata (micro-CT). Hanno messo le formiche in un frigorifero per anestetizzarle, poi le hanno incollate a faccia in giù in una centrifuga appositamente progettata per misurare la forza necessaria per deformare il collo e alla fine rompere la testa dal corpo.

La centrifuga ha lavorato sullo stesso principio di una comune giostra di carnevale chiamata “il rotore”. Nel rotore, una stanza circolare gira fino a quando la forza centrifuga inchioda le persone al muro e il pavimento cade. Nel caso delle formiche, le loro teste erano incollate sul pavimento della centrifuga, in modo che, mentre girava, il corpo delle formiche veniva tirato verso l’esterno fino alla rottura del collo. A forze corrispondenti a 350 volte il peso corporeo delle formiche, l’articolazione del collo ha cominciato ad allungarsi e il corpo si è allungato. Il collo delle formiche si è rotto a forze di 3.400-5.000 volte il loro peso corporeo medio.

Le scansioni micro-CT hanno rivelato la struttura del tessuto molle del collo e la sua connessione con l’esoscheletro duro della testa e del corpo. Le immagini al microscopio elettronico hanno rivelato che ogni parte dell’articolazione testa-collo-petto era coperta da una struttura diversa, con strutture che sembravano protuberanze o peli che si estendevano da luoghi diversi.

“Altri insetti hanno strutture simili su microscala, e pensiamo che potrebbero avere qualche tipo di ruolo meccanico”, ha detto Castro. “Potrebbero regolare il modo in cui i tessuti molli e l’esoscheletro duro si uniscono, per minimizzare lo stress e ottimizzare la funzione meccanica. Potrebbero creare attrito, o sostenere una parte in movimento contro l’altra.”

Un’altra caratteristica chiave del design sembra essere l’interfaccia tra il materiale morbido del collo e il materiale duro della testa. Tali transizioni di solito creano grandi concentrazioni di stress, ma le formiche hanno una transizione graduale e graduale tra i materiali che dà migliori prestazioni – un’altra caratteristica del design che potrebbe rivelarsi utile nei progetti fatti dall’uomo.

“Ora che abbiamo capito i limiti di ciò che questa particolare formica può sopportare e come si comporta meccanicamente quando porta un carico, vogliamo capire come si muove. Come tiene la testa? Cosa cambia quando la formica trasporta carichi in direzioni diverse?”

Un giorno, questa ricerca potrebbe portare a robot di micro dimensioni che combinano parti morbide e dure, come fa il corpo della formica. Molto lavoro nella robotica oggi coinvolge l’assemblaggio di piccoli dispositivi autonomi che possono lavorare insieme.

Ma un problema difficile emergerà se i ricercatori cercano di creare grandi robot basati sullo stesso design, ha spiegato Castro.

Le formiche sono super-forte su piccola scala perché i loro corpi sono così leggeri. All’interno dei loro duri esoscheletri, i loro muscoli non devono fornire molto supporto, quindi sono liberi di applicare tutta la loro forza per sollevare altri oggetti. Gli esseri umani, al contrario, portano carichi relativamente pesanti a causa del nostro peso corporeo. Con i nostri muscoli che sostengono il nostro peso corporeo, non ci rimane molta forza per sollevare altri oggetti.

Su scala umana, però, le formiche sono superate dalla fisica di base. Il loro peso aumenta con il loro volume complessivo (dimensioni al cubo), mentre la forza dei loro muscoli aumenta solo con la superficie (dimensioni al quadrato). Quindi una formica di dimensioni umane, se esistesse al di fuori di un film horror, probabilmente non avrebbe tanto successo nel trasportare carichi estremi a misura d’uomo.

Un grande robot basato su quel design potrebbe essere in grado di trasportare e trainare carichi in microgravità, però, quindi è possibile che un giorno potremmo impiegare formiche robot giganti nello spazio, “o, almeno, qualcosa ispirato alle formiche”, ha detto Castro.

Nel frattempo, gli ingegneri studieranno da vicino i muscoli della formica, forse utilizzando la risonanza magnetica. Le simulazioni al computer aiuteranno anche a rispondere alla domanda su come scalare strutture simili.