podle Pam Frost Gorder
Vysoké naděje mohou pomoci pohnout gumovníkem (jak se zpívá ve staré písničce), ale skutečné tajemství legendární síly mravenců může spočívat v jejich malém krčním kloubu.
Vědci v časopise Journal of Biomechanics uvádějí, že krční kloub běžného amerického polního mravence dokáže odolat tlaku až 5000krát vyššímu, než je hmotnost mravence.
„Mravenci jsou impozantní mechanické systémy – opravdu ohromující,“ řekl Carlos Castro, docent mechanického a leteckého inženýrství na Ohio State University. „Než jsme začali, provedli jsme poněkud konzervativní odhad, že by mohly vydržet 1000násobek své hmotnosti, a ukázalo se, že je to mnohem více.“
Inženýři zkoumají, zda by podobné klouby mohly umožnit budoucím robotům napodobit schopnost mravenců zvedat váhu na Zemi a ve vesmíru.
Jiní vědci již dlouho pozorovali mravence v terénu a odhadovali, že by mohli zvednout stonásobek své tělesné hmotnosti nebo i více, soudě podle nákladu listů nebo kořisti, který nesli. Castro a jeho kolegové zvolili jiný přístup.
Mravence rozebrali na součástky.
„Stejně jako u každého technického systému, pokud chcete pochopit, jak něco funguje, rozeberete to na součástky,“ řekl. „V tomto případě to může znít trochu krutě, ale nejprve jsme je umrtvili.“
Inženýři zkoumali mravence mohylového (Formica exsectoides), jako by to byl přístroj, který chtějí zpětně zkonstruovat: testovali jeho pohyblivé části a materiály, ze kterých je vyroben.
Tento konkrétní druh si vybrali, protože je běžný na východě Spojených států a lze ho snadno získat z univerzitního insektária. Je to průměrný polní mravenec, který není nijak zvlášť známý pro své zvedací schopnosti.
Mravence zobrazovali pomocí elektronové mikroskopie a rentgenovali je pomocí přístrojů pro mikropočítačovou tomografii (micro-CT). Mravence umístili do lednice, aby je umrtvili, a pak je přilepili obličejem dolů do speciálně navržené odstředivky, aby změřili sílu potřebnou k deformaci krku a nakonec k odtržení hlavy od těla.
Ostředivka fungovala na stejném principu jako běžná pouťová atrakce zvaná „rotor“. V rotoru se kruhová místnost otáčí tak dlouho, dokud odstředivá síla nepřimáčkne lidi ke stěně a nevypadne podlaha. V případě mravenců byly jejich hlavy přilepeny k podlaze odstředivky, takže při jejím otáčení byla mravenčí těla vytahována ven, až jim praskl krk.
Ostředivka se roztočila až na stovky otáček za sekundu, přičemž každé zvýšení rychlosti působilo na mravence větší silou směrem ven. Při síle odpovídající 350násobku tělesné hmotnosti mravenců se začal natahovat krční kloub a tělo se prodlužovalo. Krky mravenců praskaly při síle 3 400-5 000násobku jejich průměrné tělesné hmotnosti.
Mikro-CT snímky odhalily strukturu měkkých tkání krku a jeho spojení s tvrdým exoskeletem hlavy a těla. Snímky z elektronového mikroskopu odhalily, že každá část spojení hlava-krk-hrudník je pokryta jinou strukturou se strukturami, které vypadají jako hrbolky nebo chloupky vycházející z různých míst.
„Podobné mikroskopické struktury má i jiný hmyz a my se domníváme, že by mohly hrát nějakou mechanickou roli,“ řekl Castro. „Mohly by regulovat způsob, jakým se měkké tkáně a tvrdý exoskelet spojují, aby se minimalizovalo napětí a optimalizovala mechanická funkce. Mohou vytvářet tření nebo podpírat jednu pohyblivou část o druhou.“
Dalším klíčovým prvkem konstrukce se zdá být rozhraní mezi měkkým materiálem krku a tvrdým materiálem hlavy. Takové přechody obvykle vytvářejí velké koncentrace napětí, ale mravenci mají odstupňovaný a pozvolný přechod mezi materiály, který poskytuje lepší výkon – další konstrukční prvek, který by se mohl ukázat jako užitečný v konstrukcích vytvořených člověkem.
„Nyní, když jsme pochopili hranice toho, co tento konkrétní mravenec vydrží, a jak se chová mechanicky, když nese zátěž, chceme pochopit, jak se pohybuje. Jak drží hlavu? Co se změní, když mravenec nese zátěž v různých směrech?“
Jednou by tento výzkum mohl vést k vytvoření robotů mikrorozměrů, které kombinují měkké a tvrdé části, jako to dělá tělo mravence. Velká část práce v robotice dnes spočívá v sestavování malých autonomních zařízení, která mohou spolupracovat.
Ale obtížný problém nastane, pokud se vědci pokusí vytvořit velké roboty založené na stejné konstrukci, vysvětlil Castro.
Mravenci jsou v malém měřítku superpevní, protože jejich tělo je velmi lehké. Uvnitř jejich tvrdých exoskeletů nemusí jejich svaly poskytovat velkou oporu, takže mohou veškerou svou sílu použít na zvedání jiných předmětů. Lidé naproti tomu díky své tělesné hmotnosti nesou poměrně těžká břemena. Protože naše svaly podporují naši tělesnou hmotnost, nezbývá nám tolik síly na zvedání jiných předmětů.
V měřítku lidské velikosti však mravenci překonávají základní fyzikální zákony. Jejich hmotnost roste s jejich celkovým objemem (rozměry ve čtverci), zatímco síla jejich svalů roste pouze s plochou (rozměry ve čtverci). Takže mravenec lidské velikosti, pokud by existoval mimo hororový film, by pravděpodobně nebyl tak úspěšný při přenášení extrémních zátěží v lidském měřítku.
Velký robot založený na této konstrukci by však mohl být schopen nést a táhnout náklad v mikrogravitaci, takže je možné, že jednoho dne budeme ve vesmíru používat obří robotické mravence, „nebo alespoň něco inspirovaného mravenci,“ řekl Castro.
Mezitím budou inženýři podrobně studovat mravenčí svaly – možná pomocí magnetické rezonance. Počítačové simulace také pomohou odpovědět na otázku, jak podobné struktury zvětšit.
Blaine Lilly, docentka strojního a leteckého inženýrství, začala tuto práci s bývalou studentkou Vienny Nguyen. Nguyenová tímto projektem získala magisterský titul a nyní pracuje jako inženýrka robotiky v Johnsonově vesmírném středisku, kde pomáhá navrhovat robota Valkyrie NASA pro soutěž DARPA Robotics Challenge. Nedávno se ke Castrovu týmu připojila studentka bakalářského studia ze státu Ohio Hiromi Tsuda, která podrobněji analyzuje textury povrchu mravenců. Castro a Lilly také zahájili spolupráci s Noriko Katsube, rovněž profesorkou strojního a leteckého inženýrství a odbornicí na mechanické modelování biomateriálů.
Financování této práce pochází z Ohio State’s Institute for Materials Research a Nguyenova postgraduálního výzkumného stipendia National Science Foundation. Výpočetní zdroje poskytlo Ohio Supercomputer Center, softwarovou podporu pro strukturální modelování společnost Simpleware Ltd. a mikro-CT laboratoř Richarda Harta, profesora a vedoucího katedry biomedicínského inženýrství na Ohio State.