by Pam Frost Gorder
Altas esperanças podem ajudar a mover uma planta de seringueira (como diz a velha canção), mas o verdadeiro segredo da lendária força da formiga pode estar na sua minúscula articulação do pescoço.
No Journal of Biomechanics, pesquisadores relatam que a articulação do pescoço de uma formiga de campo comum americana pode suportar pressões de até 5.000 vezes o peso da formiga.
“As formigas são sistemas mecânicos impressionantes – na verdade, são resistentes”, disse Carlos Castro, professor assistente de engenharia mecânica e aeroespacial da The Ohio State University. “Antes de começarmos, fizemos uma estimativa um pouco conservadora de que elas poderiam suportar 1.000 vezes o seu peso, e acabou por ser muito mais”.
Os engenheiros estão estudando se juntas similares poderiam permitir futuros robôs a imitar a capacidade de levantamento de peso da formiga na Terra e no espaço.
Outros pesquisadores há muito observaram formigas no campo e adivinharam que elas poderiam içar cem vezes o seu peso corporal ou mais, a julgar pela carga útil de folhas ou presas que carregavam. 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 um pouco cruel neste caso, mas nós anestesiámo-las primeiro”.
Os engenheiros examinaram a formiga do monte Allegheny (Formica exsectoides) como se fosse um dispositivo que eles queriam inverter: eles 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 poderia ser facilmente obtida do inseto 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). Elas 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 funcionava com o mesmo princípio de um passeio carnavalesco comum chamado “o rotor”. No rotor, uma sala circular gira até que a força centrífuga pega as pessoas na parede e o chão cai para fora. No caso das formigas, suas cabeças eram coladas no lugar no chão da centrífuga, de modo que ao girar, os corpos das formigas eram puxados para fora até que seus pescoços rompessem.
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.
Micro-CT scans revelou a estrutura do tecido mole do pescoço e sua conexão com o exosqueleto duro da cabeça e do corpo. Imagens de microscopia eletrônica revelaram que cada parte da articulação cabeça-pescoço estava coberta por uma textura diferente, com estruturas que pareciam saliências ou pêlos estendendo-se de diferentes locais.
“Outros insetos têm estruturas semelhantes em microescala, e pensamos que eles podem desempenhar algum tipo de papel mecânico”, disse Castro. “Eles podem regular a forma como os tecidos moles e o exoesqueleto duro se unem, para minimizar o estresse e otimizar a função mecânica”. Eles podem criar fricção, ou apoiar uma parte em movimento contra a outra”.
Outra característica chave do design 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, o que dá um melhor desempenho – uma outra característica chave do design que poderia ser útil em designs feitos pelo homem.
“Agora que entendemos os limites do que esta formiga em particular pode suportar e como ela se comporta mecanicamente quando está carregando uma carga, queremos entender como ela 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 autônomos que podem trabalhar juntos.
Mas um problema difícil surgirá se os pesquisadores tentarem criar robôs grandes baseados no mesmo design, explicou Castro.
As formigas são super fortes em pequena escala porque seus corpos são tão leves. Dentro de seus exoesqueletos duros, seus músculos não precisam dar muito apoio, então eles são livres para aplicar toda a sua força para levantar outros objetos. 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.
Em escala humana, no entanto, as formigas são ultrapassadas pela física básica. Seu peso aumenta com seu volume total (dimensões ao cubo), enquanto a força de seus músculos aumenta apenas com a área da superfície (dimensões ao quadrado). Então uma formiga de tamanho humano, se ela existisse fora de um filme de terror, provavelmente não teria tanto sucesso em carregar cargas extremas em uma escala humana.
Um grande robô baseado nesse projeto poderia ser capaz de carregar e rebocar carga em microgravidade, então é possível que um dia possamos empregar formigas robôs gigantes no espaço, “ou, pelo menos, algo inspirado por formigas”, disse Castro.
Meanwhile, os engenheiros estudarão os músculos das formigas de perto – talvez usando ressonância magnética. Simulações por computador também ajudarão a responder à questão de como escalar estruturas semelhantes.
Blaine Lilly, professora associada de engenharia mecânica e aeroespacial, começou este trabalho com o ex-aluno Vienny Nguyen. Nguyen obteve seu mestrado com este projeto, e agora é engenheira robótica no Johnson Space Center, onde ela está ajudando a projetar o robô Valkyrie da NASA para o DARPA Robotics Challenge. O estudante de graduação do estado de Ohio, Hiromi Tsuda, juntou-se recentemente à equipe de Castro, e ela está analisando as texturas da superfície da formiga com mais detalhes. Castro e Lilly também começaram a colaborar com Noriko Katsube, também professor de engenharia mecânica e aeroespacial, e especialista em modelagem mecânica de biomateriais.
O financiamento para este trabalho veio do Instituto de Pesquisa de Materiais do Estado de Ohio e da bolsa de pesquisa de pós-graduação da Nguyen’s National Science Foundation. Os recursos de computação foram fornecidos pelo Ohio Supercomputer Center; suporte de software de modelagem estrutural pelo Simpleware Ltd.; e micro-CT pelo laboratório de Richard Hart, professor e presidente do Departamento de Engenharia Biomédica do Ohio State.