Entomology Today
Foto door Alexander Wild. http://www.alexanderwild.com
In het Journal of Biomechanics melden onderzoekers dat het nekgewricht van een gewone Amerikaanse veldmier bestand is tegen een druk tot 5000 keer het gewicht van de mier.
“Mieren zijn indrukwekkende mechanische systemen – verbluffend, echt waar,” zei Carlos Castro, assistent-professor werktuigbouwkunde en lucht- en ruimtevaarttechniek aan The Ohio State University. “Voordat we begonnen, maakten we een enigszins conservatieve schatting dat ze bestand zouden zijn tegen 1000 keer hun gewicht, en het bleek veel meer te zijn.”
De ingenieurs bestuderen of soortgelijke gewrichten toekomstige robots in staat zouden kunnen stellen het gewichthefvermogen van de mier op aarde en in de ruimte na te bootsen.
Andere onderzoekers hebben lange tijd mieren in het veld geobserveerd en geraden dat ze honderd keer hun lichaamsgewicht of meer zouden kunnen tillen, te oordelen naar de lading bladeren of prooien die ze met zich meedroegen. Castro en zijn collega’s pakten het anders aan.
Ze haalden de mieren uit elkaar.
“Zoals je in elk technisch systeem zou doen, als je wilt begrijpen hoe iets werkt, haal je het uit elkaar,” zei hij. “Dat klinkt in dit geval misschien wat wreed, maar we hebben ze eerst verdoofd.”
De ingenieurs onderzochten de Allegheny mound ant (Formica exsectoides) alsof het een apparaat was dat ze wilden reverse-engineeren: ze testten de bewegende onderdelen en de materialen waarvan het is gemaakt.
Ze kozen deze specifieke soort omdat hij veel voorkomt in het oosten van de Verenigde Staten en gemakkelijk kon worden verkregen uit de universitaire insectenkamer. Het is een gemiddelde veldmier die niet bepaald bekend staat om zijn vermogen tot tillen.
Ze brachten de mieren in beeld met elektronenmicroscopie en maakten röntgenfoto’s met microcomputed tomography (micro-CT) machines. Ze plaatsten de mieren in een koelkast om ze te verdoven en lijmden ze vervolgens met het gezicht naar beneden in een speciaal ontworpen centrifuge om de kracht te meten die nodig is om de nek te vervormen en uiteindelijk de kop van het lichaam te scheuren.
De centrifuge werkte volgens hetzelfde principe als een gewone kermisattractie die “de rotor” wordt genoemd. In de rotor draait een cirkelvormige kamer rond tot de centrifugaalkracht de mensen aan de muur vastklemt en de vloer eruit valt. In het geval van de mieren waren hun hoofden vastgelijmd aan de vloer van de centrifuge, zodat het lichaam van de mieren tijdens het draaien naar buiten werd getrokken tot hun nekken scheurden.
De centrifuge draaide tot honderden rotaties per seconde, waarbij elke toename in snelheid meer naar buiten gerichte kracht op de mier uitoefende. Bij krachten die overeenkwamen met 350 keer het lichaamsgewicht van de mieren, begon het nekgewricht te rekken en het lichaam te verlengen. De nek van de mieren scheurde bij krachten van 3.400-5.000 keer hun gemiddelde lichaamsgewicht.
Micro-CT scans toonden de zachte weefselstructuur van de nek en de verbinding met het harde exoskelet van de kop en het lichaam. Elektronenmicroscopiebeelden toonden aan dat elk deel van het hoofd-hals-borstgewricht bedekt was met een verschillende textuur, met structuren die leken op knobbels of haren die zich op verschillende plaatsen uitstrekten.
“Andere insecten hebben soortgelijke microschaalstructuren, en we denken dat ze een soort mechanische rol zouden kunnen spelen,” zei Castro. “Ze kunnen de manier reguleren waarop het zachte weefsel en het harde exoskelet samenkomen, om stress te minimaliseren en de mechanische functie te optimaliseren. Ze kunnen wrijving creëren, of het ene bewegende deel tegen het andere schrap zetten.”
Een ander belangrijk kenmerk van het ontwerp lijkt het raakvlak te zijn tussen het zachte materiaal van de nek en het harde materiaal van het hoofd. Zulke overgangen zorgen meestal voor grote spanningsconcentraties, maar mieren hebben een geleidelijke overgang tussen de materialen die voor betere prestaties zorgt.
“Nu we de grenzen begrijpen van wat deze specifieke mier kan weerstaan en hoe hij zich mechanisch gedraagt als hij een lading draagt, willen we begrijpen hoe hij beweegt. Hoe houdt hij zijn kop vast? Wat verandert er als de mier lasten in verschillende richtingen draagt?”
Ooit zou dit onderzoek kunnen leiden tot robots van microformaat die zachte en harde onderdelen combineren, zoals het lichaam van de mier doet. Veel werk in de robotica bestaat tegenwoordig uit het assembleren van kleine, autonome apparaten die kunnen samenwerken.
Maar er zal een moeilijk probleem ontstaan als de onderzoekers proberen grote robots te maken op basis van hetzelfde ontwerp, legde Castro uit.
Mieren zijn supersterk op kleine schaal omdat hun lichamen zo licht zijn. Binnen hun harde exoskelet hoeven hun spieren niet veel steun te bieden, zodat ze al hun kracht kunnen gebruiken om andere voorwerpen op te tillen. Mensen, daarentegen, dragen relatief zware lasten door ons lichaamsgewicht. Omdat onze spieren ons lichaamsgewicht ondersteunen, hebben we niet zoveel kracht over om andere voorwerpen op te tillen.
Op menselijke schaal worden mieren echter overwonnen door elementaire natuurkunde. Hun gewicht neemt toe met hun totale volume (afmetingen in het kwadraat), terwijl de kracht van hun spieren alleen toeneemt met de oppervlakte (afmetingen in het kwadraat). Dus een mier op mensenmaat, als hij buiten een horrorfilm zou bestaan, zou waarschijnlijk niet zo succesvol zijn in het dragen van extreme lasten op menselijke schaal.
Een grote robot op basis van dat ontwerp zou echter wel in staat kunnen zijn om vracht te dragen en te slepen in microzwaartekracht, dus het is mogelijk dat we op een dag reusachtige robotmieren in de ruimte zullen gebruiken, “of op zijn minst iets dat op mieren is geïnspireerd,” zei Castro.
In de tussentijd zullen de ingenieurs de spieren van de mier nauwkeurig bestuderen, misschien met behulp van magnetische resonantie beeldvorming. Computersimulaties zullen ook helpen bij het beantwoorden van de vraag hoe soortgelijke structuren kunnen worden opgeschaald.