Entomology Today
Zdjęcie autorstwa Alexandra Wilda. http://www.alexanderwild.com
W Journal of Biomechanics, naukowcy donoszą, że staw szyjny pospolitej amerykańskiej mrówki polnej może wytrzymać naciski do 5000 razy większe niż masa mrówki.
„Mrówki są imponującymi systemami mechanicznymi – zdumiewającymi, naprawdę,” powiedział Carlos Castro, asystent profesora inżynierii mechanicznej i lotniczej na The Ohio State University. „Zanim zaczęliśmy, oszacowaliśmy nieco ostrożnie, że mogą wytrzymać 1000 razy więcej niż ich waga, a okazało się, że jest to znacznie więcej.”
Inżynierowie badają, czy podobne połączenia mogą umożliwić przyszłym robotom naśladowanie zdolności mrówek do podnoszenia ciężarów na Ziemi i w kosmosie.
Inni badacze od dawna obserwowali mrówki w terenie i domyślali się, że mogą one podnosić sto razy więcej niż ich ciało, sądząc po ciężarze liści lub zdobyczy, które niosły. Castro i jego koledzy przyjęli inne podejście.
Rozebrali mrówki na części.
„Tak jak w każdym systemie inżynieryjnym, jeśli chcesz zrozumieć jak coś działa, rozbierasz to na części”, powiedział. „W tym przypadku może to zabrzmieć trochę okrutnie, ale najpierw je znieczuliliśmy.”
Inżynierowie zbadali mrówkę kopcową z Allegheny (Formica exsectoides) tak, jakby była urządzeniem, które chcą poddać inżynierii odwrotnej: przetestowali jej ruchome części i materiały, z których jest wykonana.
Wybrali ten konkretny gatunek, ponieważ jest on powszechny we wschodnich Stanach Zjednoczonych i można go łatwo uzyskać z uniwersyteckiego laboratorium owadów. Jest to przeciętna mrówka polna, która nie jest szczególnie znana ze swojej zdolności do podnoszenia.
Obrazowali mrówki za pomocą mikroskopu elektronowego i prześwietlili je za pomocą tomografii mikrokomputerowej (micro-CT). Umieścili mrówki w lodówce, aby je znieczulić, a następnie przykleili je twarzą w dół w specjalnie zaprojektowanej wirówce, aby zmierzyć siłę niezbędną do zdeformowania szyi i ostatecznie oderwania głowy od ciała.
Wirówka działała na tej samej zasadzie, co popularna przejażdżka w wesołym miasteczku zwana „rotorem”. W wirniku, okrągły pokój obraca się, aż siła odśrodkowa przybija ludzi do ściany, a podłoga odpada. W przypadku mrówek, ich głowy były przyklejone do podłogi wirówki, tak że w miarę obracania się wirówki, ciała mrówek byłyby wyciągane na zewnątrz, aż do pęknięcia szyi.
Wirówka obracała się do setek obrotów na sekundę, a każdy wzrost prędkości wywierał na mrówki większą siłę zewnętrzną. Przy siłach odpowiadających 350-krotności masy ciała mrówki, staw szyjny zaczął się rozciągać, a ciało wydłużać. Szyje mrówek pękały przy siłach 3,400-5,000 razy większych od ich średniej masy ciała.
Mikro-CT skany ujawniły strukturę miękkiej tkanki szyi i jej połączenie z twardym egzoszkieletem głowy i ciała. Obrazy mikroskopii elektronowej ujawniły, że każda część stawu głowa-szyja-klatka piersiowa była pokryta inną teksturą, ze strukturami, które wyglądały jak zgrubienia lub włosy rozciągające się z różnych miejsc.
„Inne owady mają podobne struktury w mikroskali i myślimy, że mogą one odgrywać jakąś mechaniczną rolę”, powiedział Castro. „Mogą one regulować sposób, w jaki tkanka miękka i twardy egzoszkielet łączą się ze sobą, aby zminimalizować stres i zoptymalizować funkcje mechaniczne. Mogą tworzyć tarcie lub wzmacniać jedną ruchomą część względem drugiej.”
Inną kluczową cechą projektu wydaje się być interfejs pomiędzy miękkim materiałem szyi a twardym materiałem głowy. Takie przejścia zwykle powodują duże koncentracje naprężeń, ale mrówki mają stopniowane i łagodne przejście między materiałami, co daje zwiększoną wydajność – kolejna cecha konstrukcyjna, która może okazać się przydatna w projektach stworzonych przez człowieka.
„Teraz, gdy rozumiemy granice tego, co ta konkretna mrówka może wytrzymać i jak zachowuje się mechanicznie, gdy przenosi obciążenie, chcemy zrozumieć, jak się porusza. Jak trzyma głowę? Co się zmienia, gdy mrówka przenosi obciążenia w różnych kierunkach?”
Jednego dnia badania te mogą doprowadzić do powstania robotów mikroskopijnych rozmiarów, które łączą w sobie części miękkie i twarde, tak jak ciało mrówki. Wiele prac w dziedzinie robotyki polega na tworzeniu małych, autonomicznych urządzeń, które mogą współpracować ze sobą.
Ale trudny problem pojawi się, jeśli naukowcy spróbują stworzyć duże roboty oparte na tym samym projekcie, wyjaśnia Castro.
Anty są bardzo silne w małej skali, ponieważ ich ciała są tak lekkie. Wewnątrz ich twardych egzoszkieletów, ich mięśnie nie muszą zapewniać dużego wsparcia, więc mogą swobodnie stosować całą swoją siłę do podnoszenia innych obiektów. Ludzie, w przeciwieństwie do nich, noszą stosunkowo duże ciężary ze względu na masę naszego ciała. Z naszymi mięśniami podtrzymującymi ciężar ciała, nie mamy tyle siły, by podnosić inne obiekty.
Na ludzką skalę, mrówki są pokonane przez podstawową fizykę. Ich waga wzrasta wraz z ich ogólną objętością (wymiary sześcienne), podczas gdy siła ich mięśni wzrasta jedynie wraz z powierzchnią (wymiary kwadratowe). Tak więc mrówka ludzkich rozmiarów, gdyby istniała poza filmem grozy, prawdopodobnie nie odniosłaby takiego sukcesu w przenoszeniu ekstremalnych obciążeń w ludzkiej skali.
Duży robot oparty na tym projekcie mógłby jednak być w stanie przenosić i holować ładunki w mikrograwitacji, więc możliwe jest, że pewnego dnia zatrudnimy w kosmosie gigantyczne mrówki-roboty, „lub przynajmniej coś inspirowanego mrówkami” – powiedział Castro.
W międzyczasie inżynierowie będą dokładnie badać mięśnie mrówki – być może przy użyciu rezonansu magnetycznego. Symulacje komputerowe pomogą również odpowiedzieć na pytanie, jak przeskalować podobne struktury.