Pam Frost Gorder
Korkeat toiveet voivat auttaa liikuttamaan kumipuu-kasvia (kuten vanhassa laulussa sanotaan), mutta muurahaisen legendaarisen voiman varsinainen salaisuus voi piillä sen pienessä niskanivelessä.
Journal of Biomechanics -lehdessä tutkijat raportoivat, että tavallisen amerikkalaisen peltomuurahaisen kaulanivel kestää jopa 5 000 kertaa muurahaisen painon suuruisen paineen.
”Muurahaiset ovat vaikuttavia mekaanisia järjestelmiä – oikeastaan hämmästyttäviä”, sanoo Carlos Castro, Ohion osavaltionyliopiston kone- ja ilmailutekniikan apulaisprofessori. ”Ennen kuin aloitimme, teimme jokseenkin varovaisen arvion, että ne voisivat kestää 1 000 kertaa painonsa verran, ja osoittautui, että se on paljon enemmän.”
Insinöörit tutkivat, voisivatko samanlaiset nivelet mahdollistaa sen, että tulevat robotit voisivat matkia muurahaisten painonnostokykyä maan päällä ja avaruudessa.
Muut tutkijat ovat jo pitkään tarkkailleet muurahaisia maastossa ja arvelleet, että ne pystyisivät nostamaan sata kertaa ruumiinpainonsa verran painoa tai enemmänkin, päätellen lehtien tai saaliin hyötykuormasta, jota ne kantoivat. Castro ja hänen kollegansa käyttivät toisenlaista lähestymistapaa.
He ottivat muurahaiset erilleen.
”Kuten minkä tahansa teknisen järjestelmän kohdalla, jos haluaa ymmärtää, miten jokin toimii, se puretaan erilleen”, hän sanoi. ”Se saattaa kuulostaa tässä tapauksessa aika julmalta, mutta nukutimme ne ensin.”
Insinöörit tutkivat Allegheny mound -muurahaista (Formica exsectoides) ikään kuin se olisi laite, jonka he halusivat kääntää takaisinpäin: he testasivat sen liikkuvia osia ja materiaaleja, joista se on tehty.
Hän valitsi juuri tämän lajin, koska se on yleinen itäisissä Yhdysvalloissa, ja sitä saattoi helposti hankkia yliopiston hyönteistarhasta. Se on tavallinen kenttämuurahainen, jota ei erityisesti tunneta nostokyvystään.
He kuvasivat muurahaisia elektronimikroskoopilla ja röntgenkuvasivat niitä mikrotietokonetomografialaitteilla (micro-CT). He laittoivat muurahaiset jääkaappiin nukuttaakseen ne ja liimasivat ne sitten kasvot alaspäin erityisesti suunniteltuun sentrifugiin mitatakseen voiman, joka tarvitaan kaulan muodonmuutokseen ja lopulta pään irrottamiseen kehosta.
Sentrifugi toimi samalla periaatteella kuin yleinen tivoliajoneuvo, jota kutsutaan ”roottoriksi”. Roottorissa pyöreä huone pyörii, kunnes keskipakovoima nipistää ihmiset seinään ja lattia putoaa pois. Muurahaisten tapauksessa niiden päät oli liimattu kiinni sentrifugin lattiaan, joten sen pyöriessä muurahaisten vartaloita vedettiin ulospäin, kunnes niiden kaulat murtuivat.
Sentrifugi pyöri jopa satoja kierroksia sekunnissa, ja jokainen nopeuden lisäys aiheutti muurahaiseen enemmän ulospäin suuntautuvaa voimaa. Voimilla, jotka vastasivat 350 kertaa muurahaisten ruumiinpainoa, kaulanivel alkoi venyä ja vartalo pidentyä. Muurahaisten kaula murtui 3 400-5 000 kertaa niiden keskimääräisen ruumiinpainon suuruisilla voimilla.
Mikro-CT-kuvaukset paljastivat kaulan pehmytkudosrakenteen ja sen yhteyden pään ja vartalon kovaan eksoskelettiin. Elektronimikroskooppikuvat paljastivat, että pään, kaulan ja rintakehän liitoksen jokaista osaa peitti erilainen rakenne, jossa eri kohdista ulottui kuoppia tai karvoja muistuttavia rakenteita.
”Muilla hyönteisillä on samanlaisia mikroskooppirakenteita, ja ajattelemme, että niillä saattaa olla jonkinlainen mekaaninen rooli”, Castro sanoi. ”Ne saattavat säädellä tapaa, jolla pehmytkudos ja kova ulkoluuranko kohtaavat, jotta stressi minimoitaisiin ja mekaaninen toiminta optimoitaisiin. Ne saattavat luoda kitkaa tai tukea yhtä liikkuvaa osaa toista vastaan.”
Muotoilun toinen keskeinen piirre näyttää olevan kaulan pehmeän materiaalin ja pään kovan materiaalin välinen rajapinta. Tällaiset siirtymät aiheuttavat yleensä suuria jännityskeskittymiä, mutta muurahaisilla on porrastettu ja asteittainen siirtymä materiaalien välillä, mikä antaa paremman suorituskyvyn – toinen suunnittelun piirre, joka voisi osoittautua hyödylliseksi ihmisen valmistamissa malleissa.
”Nyt kun ymmärrämme, mitkä ovat sen rajat, mitä tämä nimenomainen muurahainen kestää, ja miten se käyttäytyy mekaanisesti kantaessaan kuormaa, haluamme ymmärtää, miten se liikkuu. Miten se pitää päätään? Mikä muuttuu, kun muurahainen kantaa kuormaa eri suuntiin?”
Tämän tutkimuksen avulla voidaan jonain päivänä kehittää mikrokokoisia robotteja, joissa yhdistyvät pehmeät ja kovat osat, kuten muurahaisen kehossa. Nykyään robotiikan alalla tehdään paljon työtä, jossa kootaan pieniä, autonomisia laitteita, jotka pystyvät toimimaan yhdessä.
Mutta hankala ongelma syntyy, jos tutkijat yrittävät luoda suuria robotteja saman rakenteen pohjalta, Castro selitti.
Muurahaiset ovat supervahvoja pienessä mittakaavassa, koska niiden keho on niin kevyt. Kovien luurankojensa sisällä niiden lihasten ei tarvitse antaa juurikaan tukea, joten ne voivat käyttää kaiken voimansa muiden esineiden nostamiseen. Ihmiset sen sijaan kantavat verrattain raskaita taakkoja ruumiinpainomme vuoksi. Kun lihaksemme tukevat ruumiinpainoamme, meillä ei ole niin paljon voimaa jäljellä muiden esineiden nostamiseen.
Ihmisen kokoisessa mittakaavassa muurahaiset kuitenkin voittavat perusfysiikan. Niiden paino kasvaa niiden kokonaistilavuuden (mitat kuutiossa) myötä, kun taas niiden lihasten voima kasvaa vain pinta-alan (mitat neliössä) myötä. Joten ihmisen kokoinen muurahainen, jos se olisi olemassa muualla kuin kauhuelokuvissa, ei todennäköisesti onnistuisi kantamaan äärimmäisiä kuormia ihmisen mittakaavassa.
Suuri robotti, joka perustuisi tuohon malliin, saattaisi kuitenkin pystyä kuljettamaan ja hinaamaan rahtia mikrogravitaatiossa, joten on mahdollista, että jonain päivänä käytämme avaruudessa jättimäisiä robottimuurahaisia, ”tai ainakin jotakin muurahaisvaikutteista robottimuurahaismallia”, Castro sanoi.
Insinöörit tutkivat sillä välin muurahaismuurahaisten lihaksistoa tarkkaan, ehkäpä magneettikuvauksen avulla. Tietokonesimulaatiot auttavat myös vastaamaan kysymykseen, miten vastaavia rakenteita voidaan skaalata suuremmiksi.
Kone- ja avaruustekniikan apulaisprofessori Blaine Lilly aloitti tämän työn entisen opiskelijan Vienny Nguyenin kanssa. Nguyen suoritti maisterintutkintonsa tämän projektin avulla, ja nyt hän on robotiikkainsinööri Johnson Space Centerissä, jossa hän auttaa suunnittelemaan NASAn Valkyrie-robottia DARPA Robotics Challenge -kilpailua varten. Ohion osavaltion perustutkinto-opiskelija Hiromi Tsuda liittyi äskettäin Castron tiimiin, ja hän analysoi muurahaisen pintarakenteita tarkemmin. Castro ja Lilly ovat aloittaneet yhteistyön myös Noriko Katsuben kanssa, joka on myös kone- ja avaruustekniikan professori ja biomateriaalien mekaanisen mallintamisen asiantuntija.
Työn rahoitus tuli Ohion osavaltion materiaalitutkimuslaitokselta ja Nguyenin National Science Foundationin jatkotutkintostipendiltä. Laskentaresursseja tarjosi Ohio Supercomputer Center, rakennemallinnusohjelmistojen tukea Simpleware Ltd. ja mikro-CT:tä Ohio Staten biolääketieteellisen tekniikan laitoksen professorin ja puheenjohtajan Richard Hartin laboratorio.