Entomologia Hoje

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

No Journal of Biomechanics, os investigadores relatam que a articulação do pescoço de uma formiga de campo comum americana pode suportar pressões até 5.000 vezes o peso da formiga.

“As formigas são sistemas mecânicos impressionantes – na realidade, são sistemas de extinção”, disse Carlos Castro, professor assistente de engenharia mecânica e aeroespacial na The Ohio State University. “Antes de começarmos, fizemos uma estimativa algo conservadora de que elas poderiam suportar 1.000 vezes o seu peso, e acabou por ser muito mais”

Os engenheiros estão a estudar se juntas semelhantes poderiam permitir aos futuros robôs imitar a capacidade de levantamento de peso da formiga na terra e no espaço.

Outros investigadores há muito que observam formigas no terreno e adivinharam que elas poderiam içar cem vezes o seu peso corporal ou mais, a julgar pela carga útil de folhas ou presas que transportavam. Castro e os seus colegas adoptaram uma abordagem diferente.

Dividiram as formigas.

“Como em qualquer sistema de engenharia, se quiserem compreender como algo funciona, dividem-no”, disse ele. “Isso pode parecer cruel neste caso, mas nós anestesiámo-las primeiro”

Os engenheiros examinaram a formiga do monte Allegheny (Formica exsectoides) como se fosse um dispositivo que queriam inverter: testaram as suas partes móveis e os materiais de que é feita.

Eles escolheram esta espécie em particular porque é comum no leste dos Estados Unidos e pode facilmente ser obtida do insecto universitário. É uma formiga de campo média que não é particularmente conhecida pela sua capacidade de elevação.

Fizeram imagens de formigas com microscopia electrónica e radiografaram-nas com máquinas de microtomografia computorizada (micro-CT). Colocaram as formigas num frigorífico para as anestesiar, depois colaram-nas com a face para baixo numa centrífuga especialmente concebida para medir a força necessária para deformar o pescoço e eventualmente romper a cabeça do corpo.

A centrífuga funcionou com o mesmo princípio que um passeio comum de carnaval chamado “o rotor”. No rotor, uma sala circular gira até que a força centrífuga prende as pessoas à parede e o chão cai para fora. No caso das formigas, as suas cabeças eram coladas no lugar no chão da centrífuga, de modo que à medida que girava, os corpos das formigas eram puxados para fora até os seus pescoços romperem.

A centrífuga girava até centenas de rotações por segundo, cada aumento de velocidade exercendo mais força para fora sobre a formiga. Com forças correspondentes a 350 vezes o peso do corpo da formiga, a articulação do pescoço começou a esticar-se e o corpo alongou-se. O pescoço das formigas rompeu-se com forças de 3.400-5.000 vezes o seu peso corporal médio.

As varreduras do Micro-CT revelaram a estrutura do tecido mole do pescoço e a sua ligação ao exoesqueleto duro da cabeça e do corpo. Imagens de microscopia electrónica revelaram que cada parte da articulação cabeça pescoço-pescoço estava coberta por uma textura diferente, com estruturas que pareciam saliências ou pêlos estendendo-se de locais diferentes.

“Outros insectos têm estruturas semelhantes em microescala, e pensamos que podem desempenhar algum tipo de papel mecânico”, disse Castro. “Eles podem regular a forma como o tecido mole e o exoesqueleto duro se juntam, para minimizar o stress e optimizar a função mecânica”. Poderiam criar fricção, ou apoiar uma parte móvel contra a outra”

Outra característica chave do desenho parece ser a interface entre o material macio do pescoço e o material duro da cabeça. Tais transições geralmente criam grandes concentrações de tensão, mas as formigas têm uma transição graduada e gradual entre os materiais que proporciona um melhor desempenho – outra característica do desenho que poderia revelar-se útil em desenhos feitos pelo homem.

“Agora que compreendemos os limites do que esta formiga em particular pode suportar e como se comporta mecanicamente quando transporta uma carga, queremos compreender como se move. Como é que ela segura a cabeça? O que muda quando a formiga transporta cargas em diferentes direcções?”

Um dia, esta pesquisa pode levar a robots de micro dimensões que combinam partes moles e duras, como o corpo da formiga faz. Muito trabalho em robótica hoje em dia envolve a montagem de dispositivos pequenos e autónomos que podem trabalhar em conjunto.

Mas um problema difícil surgirá se os investigadores tentarem criar grandes robôs baseados no mesmo design, explicou Castro.

As formigas são super fortes em pequena escala porque os seus corpos são tão leves. Dentro dos seus exoesqueletos duros, os seus músculos não têm de fornecer muito apoio, pelo que são livres de aplicar toda a sua força para levantar outros objectos. Os seres humanos, pelo contrário, carregam cargas comparativamente pesadas devido ao nosso peso corporal. Com os nossos músculos a suportar o nosso peso corporal, não nos resta tanta força para levantar outros objectos.

Numa escala de tamanho humano, no entanto, as formigas são ultrapassadas pela física básica. O seu peso aumenta com o seu volume total (dimensões ao cubo), enquanto a força dos seus músculos aumenta apenas com a área da superfície (dimensões ao quadrado). Assim, uma formiga de tamanho humano, se existisse fora de um filme de terror, provavelmente não teria tanto sucesso em carregar cargas extremas à escala humana.

Um grande robô baseado nesse desenho poderia ser capaz de transportar e rebocar carga em microgravidade, no entanto, por isso é possível que um dia possamos empregar formigas-robô gigantes no espaço, “ou, pelo menos, algo inspirado por formigas”, disse Castro.

Meanwhile, the engineers will study the ant’s muscles closely-perhaps using magnetic ressonance imaging. As simulações por computador também ajudarão a responder à questão de como aumentar a escala de estruturas semelhantes.