by Pam Frost Gorder
A nagy remények segíthetnek megmozdítani egy gumifa növényt (ahogy a régi dal mondja), de a hangyák legendás erejének igazi titka a hangyák apró nyakízületében rejlik.
A Journal of Biomechanics című folyóiratban a kutatók arról számolnak be, hogy a közönséges amerikai mezei hangya nyakízülete akár a hangya súlyának ötezerszeresét is kibírja a nyomásnak.
“A hangyák lenyűgöző mechanikai rendszerek – valóban elképesztőek” – mondta Carlos Castro, a The Ohio State University gépészeti és űrmérnöki tanszékének docense. “Mielőtt belevágtunk, egy kissé óvatos becslést tettünk, miszerint a súlyuk 1000-szeresét bírják ki, és kiderült, hogy sokkal többet.”
A mérnökök azt vizsgálják, hogy hasonló ízületek lehetővé tehetik-e, hogy a jövőbeli robotok utánozzák a hangyák súlyemelő képességét a Földön és az űrben.
Más kutatók már régóta megfigyelték a hangyákat a terepen, és azt tippelték, hogy testsúlyuk százszorosát vagy még többet is képesek felemelni, az általuk szállított levelek vagy zsákmányok hasznos terhe alapján ítélve. Castro és kollégái más megközelítést alkalmaztak.
Szétszedték a hangyákat.
“Mint minden mérnöki rendszer esetében, ha meg akarjuk érteni, hogyan működik valami, szétszedjük” – mondta Castro. “Ez ebben az esetben kissé kegyetlenül hangzik, de először elaltattuk őket.”
A mérnökök úgy vizsgálták az Allegheny mound hangyát (Formica exsectoides), mintha egy olyan szerkezet lenne, amelyet vissza akarnak fejleszteni: megvizsgálták a mozgó alkatrészeit és az anyagokat, amelyekből készült.
Azért választották ezt a bizonyos fajt, mert gyakori az Egyesült Államok keleti részén, és könnyen beszerezhető volt az egyetem rovartárából. Ez egy átlagos mezei hangya, amely nem különösebben az emelőképességéről ismert.
Elektronmikroszkópiával képet készítettek a hangyákról, és mikrokomputertomográfiás (mikro-CT) gépekkel röntgenfelvételeket készítettek róluk. A hangyákat hűtőszekrénybe helyezték, hogy elaltassák őket, majd arccal lefelé egy speciálisan kialakított centrifugába ragasztották őket, hogy megmérjék a nyak deformálásához és végül a fej testtől való elszakadásához szükséges erőt.
A centrifuga ugyanazon az elven működött, mint a “rotornak” nevezett gyakori karneváli eszköz. A rotorban egy kör alakú terem addig forog, amíg a centrifugális erő a falhoz nem szorítja az embereket, és a padló ki nem esik. A hangyák esetében a fejüket a centrifuga padlójához ragasztották, így a centrifuga forgása közben a hangyák testét kifelé húzta, amíg a nyakuk el nem szakadt.
A centrifuga másodpercenként akár több száz fordulatot is megfordult, és minden egyes sebességnövekedés nagyobb kifelé irányuló erőt gyakorolt a hangyára. A hangyák testsúlyának 350-szeresének megfelelő erőnél a nyakízület feszülni kezdett, a test pedig megnyúlt. A hangyák nyaka az átlagos testsúlyuk 3400-5000-szeresének megfelelő erőknél elszakadt.
A mikro-CT-vizsgálatok feltárták a nyak lágyszöveti szerkezetét és annak kapcsolatát a fej és a test kemény exoskeletonjával. Az elektronmikroszkópos felvételekből kiderült, hogy a fej-nyak-mellkas ízület minden egyes részét más-más textúra borítja, különböző helyekről dudoroknak vagy szőrszálaknak látszó struktúrák nyúlnak ki.
“Más rovarok is rendelkeznek hasonló mikroméretű struktúrákkal, és úgy gondoljuk, hogy ezek valamilyen mechanikai szerepet játszhatnak” – mondta Castro. “Lehet, hogy szabályozzák a lágyszövet és a kemény exoskeleton találkozását, hogy minimalizálják a stresszt és optimalizálják a mechanikai működést. Lehet, hogy súrlódást hoznak létre, vagy az egyik mozgó alkatrészt a másikhoz támasztják.”
A kialakítás másik kulcsfontosságú jellemzőjének tűnik a nyak puha anyaga és a fej kemény anyaga közötti kapcsolódási pont. Az ilyen átmenetek általában nagy feszültségkoncentrációkat hoznak létre, de a hangyáknak fokozatos és fokozatos átmenetük van az anyagok között, ami fokozott teljesítményt biztosít – egy másik tervezési jellemző, amely hasznosnak bizonyulhat az ember alkotta tervekben.
“Most, hogy megértettük, milyen határokat tud elviselni ez a bizonyos hangya, és hogyan viselkedik mechanikusan, amikor terhelést visel, meg akarjuk érteni, hogyan mozog. Hogyan tartja a fejét? Mi változik, amikor a hangya különböző irányokban hordoz terheket?”
Egy napon ez a kutatás olyan mikroméretű robotokhoz vezethet, amelyek a hangya testéhez hasonlóan kombinálják a puha és kemény részeket. A robotikában manapság a robotika nagy része olyan kis, autonóm eszközök összeszerelésével foglalkozik, amelyek képesek együttműködni.
De nehéz probléma merül fel, ha a kutatók megpróbálnak nagy robotokat létrehozni ugyanilyen konstrukció alapján, magyarázta Castro.
A hangyák kis méretben szupererősek, mert a testük olyan könnyű. Kemény exoskeletonjuk belsejében az izmaiknak nem kell sok támasztékot biztosítaniuk, így minden erejüket más tárgyak felemelésére fordíthatják. Az emberek ezzel szemben a testsúlyunk miatt viszonylag nagy terheket cipelnek. Mivel az izmaink támogatják a testsúlyunkat, nem marad annyi erőnk, hogy más tárgyakat emelgessünk.
Emberi léptékben azonban a hangyákat legyőzi az alapvető fizika. A súlyuk a teljes térfogatukkal (méretek kockára vetve) nő, míg az izmaik ereje csak a felületükkel (méretek négyzetére vetítve) nő. Tehát egy emberméretű hangya, ha létezne a horrorfilmeken kívül, valószínűleg nem lenne olyan sikeres az emberi léptékű extrém terhek cipelésében.
Egy ilyen konstrukción alapuló nagy robot azonban képes lenne rakományt szállítani és vontatni a mikrogravitációban, így lehetséges, hogy egy napon óriás robothangyákat alkalmazunk majd az űrben, “vagy legalábbis valami olyasmit, amit a hangyák ihlettek” – mondta Castro.
A mérnökök addig is alaposan tanulmányozni fogják a hangyák izmait – talán mágneses rezonanciás képalkotás segítségével. Számítógépes szimulációk is segítenek majd megválaszolni azt a kérdést, hogy hogyan lehet hasonló szerkezeteket méretezni.
Blaine Lilly, a gépész- és űrmérnöki kar docense, Vienny Nguyen korábbi diákjával kezdte ezt a munkát. Nguyen ezzel a projekttel szerezte meg a mesterdiplomáját, és most robotikai mérnökként dolgozik a Johnson Űrközpontban, ahol a NASA Valkyrie robotjának tervezésében segít a DARPA Robotics Challenge számára. Hiromi Tsuda, az Ohio State egyetemi hallgatója nemrég csatlakozott Castro csapatához, és a hangya felszíni textúráit elemzi részletesebben. Castro és Lilly együttműködésbe kezdett Noriko Katsube-val is, aki szintén a gépész- és űrmérnöki kar professzora, és a bioanyagok mechanikai modellezésének szakértője.
A munka finanszírozását az Ohio Állami Anyagkutató Intézet és Nguyen Nemzeti Tudományos Alapítvány diplomás kutatói ösztöndíja biztosította. A számítástechnikai erőforrásokat az Ohio Supercomputer Center, a szerkezeti modellező szoftverek támogatását a Simpleware Ltd., a mikro-CT-t pedig Richard Hart, az Ohio State Biomedical Engineering Tanszék professzorának és elnökének laboratóriuma biztosította.