door Pam Frost Gorder
Hoge hoop kan helpen een rubberboomplant te verplaatsen (zoals het oude liedje gaat), maar het echte geheim van de legendarische kracht van de mier kan liggen in zijn kleine nekgewricht.
In het Journal of Biomechanics melden onderzoekers dat het nekgewricht van een gewone Amerikaanse veldmier bestand is tegen druk tot 5.000 keer het gewicht van de mier.
“Mieren zijn indrukwekkende mechanische systemen – verbluffend, echt,” zei Carlos Castro, assistent-professor mechanische en ruimtevaarttechniek aan The Ohio State University. “Voordat we begonnen, maakten we een enigszins conservatieve schatting dat ze bestand zouden zijn tegen 1.000 keer hun gewicht, en het bleek veel meer te zijn.”
De ingenieurs bestuderen of soortgelijke gewrichten toekomstige robots in staat zouden kunnen stellen om het gewichthefvermogen van de mier op aarde en in de ruimte na te bootsen.
Andere onderzoekers hebben lange tijd mieren in het veld geobserveerd en geraden dat ze honderd keer hun lichaamsgewicht of meer konden tillen, te oordelen naar de lading bladeren of prooien die ze droegen. Castro en zijn collega’s kozen voor een andere aanpak.
Ze haalden de mieren uit elkaar.
“Zoals je in elk technisch systeem zou doen, als je wilt begrijpen hoe iets werkt, haal je het uit elkaar,” zei hij. “Dat klinkt misschien een beetje wreed in dit geval, maar we hebben ze eerst verdoofd.”
De ingenieurs onderzochten de Allegheny mound ant (Formica exsectoides) alsof het een apparaat was dat ze wilden reverse-engineeren: ze testten de bewegende delen en de materialen waarvan het is gemaakt.
Ze kozen deze specifieke soort omdat hij veel voorkomt in het oosten van de Verenigde Staten en gemakkelijk kon worden verkregen uit de universitaire insectenkamer. Het is een gemiddelde veldmier die niet bijzonder bekend staat om zijn tilvermogen.
Ze brachten de mieren in beeld met elektronenmicroscopie en maakten röntgenfoto’s met microcomputed tomography (micro-CT) machines. Ze plaatsten de mieren in een koelkast om ze te verdoven, plakten ze vervolgens met het gezicht naar beneden in een speciaal ontworpen centrifuge om de kracht te meten die nodig is om de nek te vervormen en uiteindelijk de kop van het lichaam te scheuren.
De centrifuge werkte volgens hetzelfde principe als een veelgebruikte kermisattractie die “de rotor” wordt genoemd. In de rotor draait een cirkelvormige kamer rond tot de middelpuntvliedende kracht mensen aan de muur vastpint en de vloer eruit valt. In het geval van de mieren waren hun hoofden vastgelijmd op de vloer van de centrifuge, zodat, terwijl deze draaide, de lichamen van de mieren naar buiten werden getrokken totdat hun nekken scheurden.
De centrifuge draaide tot honderden rotaties per seconde, waarbij elke toename in snelheid meer naar buiten gerichte kracht uitoefende op de mier. Bij krachten die overeenkwamen met 350 keer het lichaamsgewicht van de mieren, begon het nekgewricht te rekken en het lichaam te verlengen. De nek van de mieren scheurde bij krachten van 3.400-5.000 keer hun gemiddelde lichaamsgewicht.
Micro-CT scans toonden de zachte weefselstructuur van de nek en de verbinding met het harde exoskelet van de kop en het lichaam. Elektronenmicroscopiebeelden onthulden dat elk deel van het hoofd-hals-borstgewricht bedekt was met een verschillende textuur, met structuren die leken op knobbels of haren die zich uitstrekten vanaf verschillende locaties.
“Andere insecten hebben soortgelijke microschaalstructuren, en we denken dat ze een soort mechanische rol zouden kunnen spelen,” zei Castro. “Ze zouden de manier kunnen reguleren waarop het zachte weefsel en het harde exoskelet samenkomen, om stress te minimaliseren en de mechanische functie te optimaliseren. Ze zouden wrijving kunnen creëren, of het ene bewegende deel tegen het andere schrap zetten.”
Een ander belangrijk kenmerk van het ontwerp lijkt het raakvlak te zijn tussen het zachte materiaal van de nek en het harde materiaal van het hoofd. Dergelijke overgangen veroorzaken gewoonlijk grote spanningsconcentraties, maar mieren hebben een trapsgewijze en geleidelijke overgang tussen materialen die betere prestaties oplevert – nog een ontwerpkenmerk dat nuttig zou kunnen blijken in door de mens gemaakte ontwerpen.
“Nu we de grenzen begrijpen van wat deze specifieke mier kan weerstaan en hoe hij zich mechanisch gedraagt als hij een lading draagt, willen we begrijpen hoe hij beweegt. Hoe houdt hij zijn kop? Wat verandert er als de mier lasten in verschillende richtingen draagt?”
Ooit zou dit onderzoek kunnen leiden tot robots van microformaat die zachte en harde onderdelen combineren, zoals het lichaam van de mier doet. Veel werk in de robotica bestaat tegenwoordig uit het assembleren van kleine, autonome apparaten die kunnen samenwerken.
Maar een moeilijk probleem zal zich voordoen als de onderzoekers proberen grote robots te maken op basis van hetzelfde ontwerp, legde Castro uit.
Mieren zijn supersterk op kleine schaal omdat hun lichamen zo licht zijn. Binnen hun harde exoskelet hoeven hun spieren niet veel steun te bieden, zodat ze vrij zijn om al hun kracht te gebruiken om andere voorwerpen op te tillen. Mensen, daarentegen, dragen relatief zware lasten door ons lichaamsgewicht. Omdat onze spieren ons lichaamsgewicht ondersteunen, hebben we niet zoveel kracht over om andere voorwerpen op te tillen.
Op menselijke schaal worden mieren echter overwonnen door elementaire natuurkunde. Hun gewicht neemt toe met hun totale volume (afmetingen in het kwadraat), terwijl de kracht van hun spieren alleen toeneemt met de oppervlakte (afmetingen in het kwadraat). Dus een mier ter grootte van een mens, als hij buiten een horrorfilm zou bestaan, zou waarschijnlijk niet zo succesvol zijn in het dragen van extreme lasten op menselijke schaal.
Een grote robot op basis van dat ontwerp zou in staat kunnen zijn om vracht te dragen en te slepen in microzwaartekracht, hoewel, dus het is mogelijk dat we op een dag reuzenrobotmieren in de ruimte zullen gebruiken, “of op zijn minst iets dat is geïnspireerd door mieren,” zei Castro.
Ondertussen zullen de ingenieurs de spieren van de mier van dichtbij bestuderen – misschien met behulp van magnetische resonantiebeeldvorming. Computersimulaties zullen ook helpen de vraag te beantwoorden hoe soortgelijke structuren kunnen worden opgeschaald.
Blaine Lilly, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde en lucht- en ruimtevaarttechniek, begon dit werk met oud-student Vienny Nguyen. Nguyen behaalde haar masterdiploma met dit project en is nu een robotica-ingenieur bij Johnson Space Center, waar ze helpt bij het ontwerpen van NASA’s Valkyrie-robot voor de DARPA Robotics Challenge. Ohio State student Hiromi Tsuda heeft zich onlangs bij Castro’s team gevoegd, en zij analyseert de oppervlaktestructuur van de mier in meer detail. Castro en Lilly zijn ook een samenwerking begonnen met Noriko Katsube, ook een professor in werktuigbouwkunde en ruimtevaarttechniek, en een expert in mechanische modellering van biomaterialen.
De financiering van dit werk kwam van Ohio State’s Institute for Materials Research en Nguyen’s National Science Foundation graduate research fellowship. Computing middelen werden verstrekt door de Ohio Supercomputer Center; structurele modellering software ondersteuning door Simpleware Ltd, en micro-CT door het laboratorium van Richard Hart, hoogleraar en voorzitter van het Department of Biomedical Engineering aan Ohio State.