by Pam Frost Gorder
Wysokie nadzieje mogą pomóc poruszyć roślinę drzewa kauczukowego (jak mówi stara piosenka), ale prawdziwy sekret legendarnej siły mrówki może leżeć w jej maleńkim stawie szyjnym.
W Journal of Biomechanics, naukowcy donoszą, że staw szyjny zwykłej amerykańskiej mrówki polnej może wytrzymać nacisk do 5000 razy większy niż waga mrówki.
„Mrówki są imponującymi systemami mechanicznymi – zdumiewającymi, naprawdę,” powiedział Carlos Castro, asystent profesora inżynierii mechanicznej i lotniczej na The Ohio State University. „Zanim zaczęliśmy, zrobiliśmy nieco konserwatywne oszacowanie, że mogą one wytrzymać 1000 razy więcej niż ich waga, a okazało się, że jest to znacznie więcej”.
Inżynierowie badają, czy podobne stawy mogą umożliwić przyszłym robotom naśladowanie zdolności mrówek do podnoszenia ciężarów na ziemi i w kosmosie.
Inni badacze od dawna obserwowali mrówki w terenie i zgadywali, że mogą one podnosić sto razy więcej niż ich masa ciała lub więcej, sądząc po ładunku liści lub zdobyczy, które przenosiły. Castro i jego koledzy przyjęli inne podejście.
Rozebrali mrówki na części.
„Jak w każdym systemie inżynieryjnym, jeśli chcesz zrozumieć, jak coś działa, rozbierasz to na części”, powiedział. „W tym przypadku może to zabrzmieć trochę okrutnie, ale najpierw je znieczuliliśmy.”
Inżynierowie zbadali mrówkę kopcową z Allegheny (Formica exsectoides) tak, jakby była urządzeniem, które chcieli poddać inżynierii wstecznej: przetestowali jej ruchome części i materiały, z których jest wykonana.
Wybrali ten szczególny gatunek, ponieważ jest powszechny we wschodnich Stanach Zjednoczonych i można go łatwo uzyskać z uniwersyteckiego insektarium. Jest to przeciętna mrówka polna, która nie jest szczególnie znana ze swojej zdolności podnoszenia.
Obrazowali mrówki za pomocą mikroskopii elektronowej i prześwietlali je za pomocą tomografii mikrokomputerowej (micro-CT) maszyn. Umieścili mrówki w lodówce, aby je znieczulić, a następnie przykleili je twarzą w dół w specjalnie zaprojektowanej wirówce, aby zmierzyć siłę niezbędną do zdeformowania szyi i ostatecznie oderwania głowy od ciała.
Wirówka działała na tej samej zasadzie, co wspólna przejażdżka w wesołym miasteczku zwana „rotorem”. W wirniku, okrągły pokój obraca się, aż siła odśrodkowa przybija ludzi do ściany, a podłoga odpada. W przypadku mrówek, ich głowy były przyklejone do podłogi wirówki, tak że w miarę jak wirówka się obracała, ciała mrówek były wyciągane na zewnątrz, aż ich szyje pękały.
Wirówka obracała się do setek obrotów na sekundę, przy czym każdy wzrost prędkości wywierał na mrówki większą siłę zewnętrzną. Przy siłach odpowiadających 350-krotności masy ciała mrówki, staw szyjny zaczął się rozciągać, a ciało wydłużać. Szyje mrówek pękały przy siłach 3,400-5,000 razy większych od ich średniej masy ciała.
Mikro-CT skany ujawniły strukturę tkanki miękkiej szyi i jej połączenie z twardym egzoszkieletem głowy i ciała. Obrazy mikroskopii elektronowej ujawniły, że każda część połączenia głowa-szyja-klatka piersiowa była pokryta inną teksturą, ze strukturami, które wyglądały jak zgrubienia lub włosy rozciągające się z różnych miejsc.
„Inne owady mają podobne struktury w mikroskali i myślimy, że mogą one odgrywać jakąś mechaniczną rolę”, powiedział Castro. „Mogą one regulować sposób, w jaki tkanka miękka i twardy egzoszkielet łączą się ze sobą, aby zminimalizować stres i zoptymalizować funkcję mechaniczną. Mogą tworzyć tarcie, lub usztywniać jedną ruchomą część względem drugiej.”
Inną kluczową cechą projektu wydaje się być interfejs między miękkim materiałem szyi i twardym materiałem głowy. Takie przejścia zwykle tworzą duże koncentracje naprężeń, ale mrówki mają stopniowane i łagodne przejście między materiałami, co daje zwiększoną wydajność – kolejna cecha konstrukcyjna, która może okazać się przydatna w projektach stworzonych przez człowieka.
„Teraz, gdy rozumiemy granice tego, co ta konkretna mrówka może wytrzymać i jak zachowuje się mechanicznie, gdy przenosi obciążenie, chcemy zrozumieć, jak się porusza. Jak trzyma głowę? Co się zmienia, gdy mrówka przenosi ładunki w różnych kierunkach?”
Jednego dnia badania te mogą doprowadzić do powstania robotów o mikroskopijnych rozmiarach, które łączą w sobie części miękkie i twarde, tak jak to robi ciało mrówki. Duża część pracy w robotyce polega na tworzeniu małych, autonomicznych urządzeń, które mogą pracować razem.
Ale trudny problem pojawi się, jeśli badacze spróbują stworzyć duże roboty oparte na tym samym projekcie, wyjaśnił Castro.
Anty są bardzo silne w małej skali, ponieważ ich ciała są tak lekkie. Wewnątrz ich twardych egzoszkieletów, ich mięśnie nie muszą zapewnić dużo wsparcia, więc są one wolne, aby zastosować całą swoją siłę do podnoszenia innych obiektów. Ludzie, w przeciwieństwie do nich, noszą stosunkowo duże ciężary ze względu na masę naszego ciała. Z naszymi mięśniami wspierającymi ciężar naszego ciała, nie mamy tyle siły pozostawionej na podnoszenie innych obiektów.
Na ludzkiej skali, chociaż, mrówki są pokonane przez podstawową fizykę. Ich waga wzrasta wraz z ich ogólną objętością (wymiary sześcienne), podczas gdy siła ich mięśni wzrasta jedynie wraz z powierzchnią (wymiary kwadratowe). Tak więc mrówka ludzkich rozmiarów, gdyby istniała poza filmem grozy, prawdopodobnie nie odniosłaby takiego sukcesu w przenoszeniu ekstremalnych obciążeń w ludzkiej skali.
Duży robot oparty na tym projekcie może być w stanie przenosić i holować ładunek w mikrograwitacji, chociaż, więc możliwe jest, że pewnego dnia zatrudnimy gigantyczne mrówki-roboty w kosmosie, „lub przynajmniej coś inspirowanego mrówkami”, powiedział Castro.
W międzyczasie inżynierowie będą badać mięśnie mrówki ściśle – być może przy użyciu rezonansu magnetycznego. Symulacje komputerowe pomogą również odpowiedzieć na pytanie, jak skalować podobne struktury.
Blaine Lilly, profesor nadzwyczajny inżynierii mechanicznej i lotniczej, rozpoczął tę pracę z byłym studentem Vienny Nguyen. Nguyen uzyskała tytuł magistra dzięki temu projektowi, a obecnie jest inżynierem robotyki w Johnson Space Center, gdzie pomaga w projektowaniu robota NASA Valkyrie na DARPA Robotics Challenge. Studentka studiów licencjackich z Ohio, Hiromi Tsuda, dołączyła niedawno do zespołu Castro i zajmuje się bardziej szczegółową analizą tekstur powierzchni mrówek. Castro i Lilly rozpoczęli również współpracę z Noriko Katsube, profesorem inżynierii mechanicznej i lotniczej oraz ekspertem w dziedzinie modelowania mechanicznego biomateriałów.
Finanse na tę pracę pochodziły z Instytutu Badań Materiałowych stanu Ohio oraz stypendium badawczego Nguyena z Narodowej Fundacji Nauki. Zasoby obliczeniowe zostały zapewnione przez Ohio Supercomputer Center; oprogramowanie do modelowania strukturalnego przez Simpleware Ltd.; a mikro-CT przez laboratorium Richarda Harta, profesora i przewodniczącego Wydziału Inżynierii Biomedycznej w Ohio State.