von Pam Frost Gorder
Hohe Hoffnungen mögen dabei helfen, eine Gummibaumpflanze zu bewegen (wie es in dem alten Lied heißt), aber das wahre Geheimnis der legendären Stärke der Ameisen könnte in ihrem winzigen Halsgelenk liegen.
Im Journal of Biomechanics berichten Forscher, dass das Nackengelenk einer gewöhnlichen amerikanischen Feldameise einem Druck standhalten kann, der bis zum 5.000-fachen des Gewichts der Ameise reicht.
„Ameisen sind beeindruckende mechanische Systeme – wirklich erstaunlich“, sagt Carlos Castro, Assistenzprofessor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der Ohio State University. „Bevor wir anfingen, schätzten wir vorsichtigerweise, dass sie das 1.000-fache ihres Gewichts aushalten könnten, aber es stellte sich heraus, dass es viel mehr war.“
Die Ingenieure untersuchen, ob ähnliche Gelenke künftige Roboter in die Lage versetzen könnten, die Fähigkeit der Ameisen zum Heben von Gewichten auf der Erde und im Weltraum zu imitieren.
Andere Forscher haben Ameisen lange Zeit auf dem Feld beobachtet und vermutet, dass sie das Hundertfache ihres Körpergewichts oder mehr heben könnten, wenn man die Nutzlast von Blättern oder Beute, die sie tragen, berücksichtigt. Castro und seine Kollegen verfolgten einen anderen Ansatz.
Sie nahmen die Ameisen auseinander.
„Wie bei jedem technischen System, wenn man verstehen will, wie etwas funktioniert, nimmt man es auseinander“, sagte er. „
Die Ingenieure untersuchten die Allegheny-Hügelameise (Formica exsectoides), als wäre sie ein Gerät, das sie nachbauen wollten: Sie testeten ihre beweglichen Teile und die Materialien, aus denen sie besteht.
Sie wählten diese spezielle Art, weil sie im Osten der Vereinigten Staaten weit verbreitet ist und in der Insektensammlung der Universität leicht zu bekommen war. Es handelt sich um eine durchschnittliche Feldameise, die nicht besonders für ihre Hebefähigkeit bekannt ist.
Die Forscher haben die Ameisen mit dem Elektronenmikroskop abgebildet und sie mit einem Mikro-Computertomographen (micro-CT) geröntgt. Sie legten die Ameisen in einen Kühlschrank, um sie zu betäuben, und steckten sie dann mit dem Gesicht nach unten in eine speziell konstruierte Zentrifuge, um die Kraft zu messen, die erforderlich ist, um den Hals zu verformen und schließlich den Kopf vom Körper zu trennen.
Die Zentrifuge funktionierte nach dem gleichen Prinzip wie ein gewöhnliches Fahrgeschäft, das „der Rotor“ genannt wird. Im Rotor dreht sich ein kreisförmiger Raum, bis die Zentrifugalkraft die Menschen an die Wand drückt und der Boden herausfällt. Im Fall der Ameisen waren ihre Köpfe auf dem Boden der Zentrifuge festgeklebt, so dass die Körper der Ameisen bei der Drehung nach außen gezogen wurden, bis ihre Hälse brachen.
Die Zentrifuge drehte sich bis zu Hunderten von Umdrehungen pro Sekunde, wobei jede Erhöhung der Geschwindigkeit eine größere Kraft auf die Ameise ausübte. Bei Kräften, die dem 350-fachen des Körpergewichts der Ameisen entsprachen, begann sich das Halsgelenk zu dehnen und der Körper zu verlängern. Die Hälse der Ameisen brachen bei Kräften, die dem 3.400- bis 5.000-fachen ihres durchschnittlichen Körpergewichts entsprachen.
Mikro-CT-Scans zeigten die Weichteilstruktur des Halses und seine Verbindung zum harten Exoskelett von Kopf und Körper. Elektronenmikroskopische Aufnahmen zeigten, dass jeder Teil des Kopf-Hals-Brust-Gelenkes mit einer anderen Textur bedeckt war, mit Strukturen, die wie Beulen oder Haare aussahen und sich von verschiedenen Stellen aus erstreckten.
„Andere Insekten haben ähnliche mikroskalige Strukturen, und wir denken, dass sie eine Art mechanische Rolle spielen könnten“, sagte Castro. „Sie könnten die Art und Weise regulieren, wie das weiche Gewebe und das harte Exoskelett zusammenkommen, um die Belastung zu minimieren und die mechanische Funktion zu optimieren. Sie könnten Reibung erzeugen oder ein bewegliches Teil gegen das andere abstützen.“
Ein weiteres Schlüsselmerkmal des Designs scheint die Schnittstelle zwischen dem weichen Material des Halses und dem harten Material des Kopfes zu sein. Solche Übergänge führen normalerweise zu großen Spannungskonzentrationen, aber die Ameisen haben einen abgestuften und allmählichen Übergang zwischen den Materialien, der zu einer verbesserten Leistung führt – ein weiteres Konstruktionsmerkmal, das sich bei der Konstruktion von Menschen als nützlich erweisen könnte.
„Jetzt, da wir die Grenzen dessen verstehen, was diese spezielle Ameise aushalten kann und wie sie sich mechanisch verhält, wenn sie eine Last trägt, wollen wir verstehen, wie sie sich bewegt. Wie hält sie ihren Kopf? Was ändert sich, wenn die Ameise Lasten in verschiedene Richtungen trägt?“
Eines Tages könnte diese Forschung zu mikroskopisch kleinen Robotern führen, die wie der Körper der Ameise weiche und harte Teile kombinieren. Viele Arbeiten in der Robotik befassen sich heute mit dem Zusammenbau kleiner, autonomer Geräte, die zusammenarbeiten können.
Ein schwieriges Problem wird jedoch auftauchen, wenn die Forscher versuchen, große Roboter auf der Grundlage desselben Designs zu schaffen, erklärte Castro.
Ameisen sind im kleinen Maßstab superstark, weil ihre Körper so leicht sind. In ihrem harten Exoskelett müssen ihre Muskeln nicht viel Unterstützung leisten, so dass sie ihre ganze Kraft zum Heben anderer Objekte einsetzen können. Im Gegensatz dazu tragen wir Menschen aufgrund unseres Körpergewichts vergleichsweise schwere Lasten. Da unsere Muskeln unser Körpergewicht stützen, haben wir nicht so viel Kraft übrig, um andere Gegenstände zu heben.
In der Größenordnung von Menschen haben Ameisen jedoch mit den physikalischen Grundlagen zu kämpfen. Ihr Gewicht steigt mit ihrem Gesamtvolumen (Abmessungen im Quadrat), während die Kraft ihrer Muskeln nur mit der Oberfläche (Abmessungen im Quadrat) zunimmt. Eine menschengroße Ameise, sollte sie außerhalb eines Horrorfilms existieren, wäre also wahrscheinlich nicht so erfolgreich beim Tragen extremer Lasten in menschlichem Maßstab.
Ein großer Roboter auf der Grundlage dieses Designs könnte jedoch in der Lage sein, Fracht in der Schwerelosigkeit zu tragen und zu schleppen, so dass es möglich ist, dass wir eines Tages riesige Roboterameisen im Weltraum einsetzen, „oder zumindest etwas, das von Ameisen inspiriert ist“, sagte Castro.
In der Zwischenzeit werden die Ingenieure die Muskeln der Ameise genau untersuchen – vielleicht mit Hilfe der Magnetresonanztomographie. Computersimulationen werden auch dazu beitragen, die Frage zu beantworten, wie ähnliche Strukturen vergrößert werden können.
Blaine Lilly, außerordentliche Professorin für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik, begann diese Arbeit mit ihrer ehemaligen Studentin Vienny Nguyen. Nguyen erwarb mit diesem Projekt ihren Master-Abschluss und ist jetzt Robotik-Ingenieurin am Johnson Space Center, wo sie an der Entwicklung des Valkyrie-Roboters der NASA für die DARPA Robotics Challenge mitarbeitet. Die Ohio State-Studentin Hiromi Tsuda, die vor kurzem zu Castros Team gestoßen ist, analysiert die Oberflächentexturen der Ameise im Detail. Castro und Lilly haben auch eine Zusammenarbeit mit Noriko Katsube begonnen, ebenfalls Professorin für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik und Expertin für die mechanische Modellierung von Biomaterialien.
Die Finanzierung dieser Arbeit erfolgte durch das Ohio State Institute for Materials Research und Nguyens National Science Foundation Graduate Research Fellowship. Die Rechenressourcen wurden vom Ohio Supercomputer Center zur Verfügung gestellt, die Software für die Strukturmodellierung von Simpleware Ltd. und das Mikro-CT vom Labor von Richard Hart, Professor und Lehrstuhlinhaber der Abteilung für Biomedizinische Technik an der Ohio State University.