de Pam Frost Gorder
Speranțele mari pot ajuta la deplasarea unei plante de arbore de cauciuc (așa cum spune vechiul cântec), dar adevăratul secret al forței legendare a furnicilor poate sta în micuța sa articulație a gâtului.
În Journal of Biomechanics, cercetătorii raportează că articulația gâtului unei furnici de câmp americane comune poate rezista la presiuni de până la 5.000 de ori mai mari decât greutatea furnicii.
„Furnicile sunt sisteme mecanice impresionante – uimitoare, cu adevărat”, a declarat Carlos Castro, profesor asistent de inginerie mecanică și aerospațială la Ohio State University. „Înainte de a începe, am făcut o estimare oarecum conservatoare că ar putea rezista de 1.000 de ori greutatea lor, și s-a dovedit a fi mult mai mult.”
Inginerii studiază dacă articulații similare ar putea permite viitorilor roboți să imite capacitatea de ridicare a greutății furnicilor pe Pământ și în spațiu.
Alți cercetători au observat de mult timp furnicile pe teren și au ghicit că acestea ar putea ridica de o sută de ori greutatea corpului lor sau mai mult, judecând după încărcătura de frunze sau pradă pe care o transportau. Castro și colegii săi au avut o abordare diferită.
Au dezmembrat furnicile.
„La fel ca în orice sistem de inginerie, dacă vrei să înțelegi cum funcționează ceva, îl dezmembrezi”, a spus el. „S-ar putea să sune cam crud în acest caz, dar le-am anesteziat mai întâi.”
Inginerii au examinat furnica de movilă Allegheny (Formica exsectoides) ca și cum ar fi fost un dispozitiv pe care doreau să facă inginerie inversă: au testat părțile sale mobile și materialele din care este făcută.
Au ales această specie particulară deoarece este comună în estul Statelor Unite și putea fi obținută cu ușurință din insectariul universității. Este o furnică de câmp medie care nu este cunoscută în mod deosebit pentru capacitatea sa de ridicare.
Au imaginat furnicile cu ajutorul microscopiei electronice și le-au radiografiat cu ajutorul aparatelor de microtomografie computerizată (micro-CT). Ei au plasat furnicile într-un frigider pentru a le anestezia, apoi le-au lipit cu fața în jos într-o centrifugă special concepută pentru a măsura forța necesară pentru a deforma gâtul și, în cele din urmă, pentru a rupe capul de corp.
Centrifuga a funcționat pe același principiu ca și o atracție obișnuită de carnaval numită „rotorul”. În rotor, o cameră circulară se învârte până când forța centrifugă îi fixează pe oameni de pereți și podeaua se desprinde. În cazul furnicilor, capetele lor erau lipite pe podeaua centrifugei, astfel încât, pe măsură ce aceasta se rotea, corpurile furnicilor erau trase spre exterior până când gâtul lor se rupea.
Centrifuga se rotea până la sute de rotații pe secundă, fiecare creștere a vitezei exercitând o forță mai mare spre exterior asupra furnicii. La forțe corespunzătoare de 350 de ori greutatea corporală a furnicilor, articulația gâtului a început să se întindă și corpul s-a alungit. Gâtul furnicilor s-a rupt la forțe de 3.400-5.000 de ori mai mari decât greutatea lor corporală medie.
Micro scanările CT au dezvăluit structura țesutului moale al gâtului și conexiunea acestuia cu exoscheletul dur al capului și corpului. Imaginile de microscopie electronică au dezvăluit că fiecare parte a articulației cap-gât-piept era acoperită cu o textură diferită, cu structuri care arătau ca niște umflături sau fire de păr care se extindeau din diferite locații.
„Alte insecte au structuri similare la scară microscopică și credem că acestea ar putea juca un fel de rol mecanic”, a spus Castro. „Ele ar putea regla modul în care țesutul moale și exoscheletul dur se unesc, pentru a minimiza stresul și a optimiza funcția mecanică. Ele ar putea crea frecare sau ar putea susține o parte în mișcare împotriva celeilalte”.
O altă caracteristică cheie a designului pare a fi interfața dintre materialul moale al gâtului și materialul dur al capului. Astfel de tranziții creează, de obicei, concentrații mari de stres, dar furnicile au o tranziție gradată și graduală între materiale care oferă performanțe îmbunătățite – o altă caracteristică de proiectare care s-ar putea dovedi utilă în proiectele create de om.
„Acum că am înțeles limitele a ceea ce poate rezista această furnică particulară și cum se comportă din punct de vedere mecanic atunci când poartă o sarcină, vrem să înțelegem cum se mișcă. Cum își ține capul? Ce se schimbă atunci când furnica transportă sarcini în direcții diferite?”
Într-o zi, această cercetare ar putea duce la roboți de dimensiuni micro care combină părți moi și dure, așa cum face corpul furnicii. O mare parte din munca în robotică de astăzi implică asamblarea unor dispozitive mici, autonome, care pot lucra împreună.
Dar va apărea o problemă dificilă dacă cercetătorii vor încerca să creeze roboți mari pe baza aceluiași design, a explicat Castro.
Furnicile sunt super-puternice la scară mică, deoarece corpurile lor sunt foarte ușoare. În interiorul exoscheletelor lor dure, mușchii lor nu trebuie să asigure prea mult sprijin, astfel încât sunt libere să își aplice toată forța pentru a ridica alte obiecte. Oamenii, în schimb, transportă sarcini relativ grele datorită greutății corpului nostru. Cu mușchii noștri susținându-ne greutatea corporală, nu ne rămâne atât de multă forță pentru a ridica alte obiecte.
La scară umană, totuși, furnicile sunt depășite de fizica de bază. Greutatea lor crește cu volumul total (dimensiunile la cub), în timp ce puterea mușchilor lor crește doar cu suprafața (dimensiunile la pătrat). Așadar, o furnică de dimensiuni umane, dacă ar exista în afara unui film de groază, probabil că nu ar reuși atât de bine să transporte sarcini extreme la scară umană.
Un robot mare bazat pe acest design ar putea fi capabil să transporte și să tracteze încărcături în microgravitație, totuși, așa că este posibil ca într-o bună zi să angajăm furnici robotizate gigantice în spațiu, „sau, cel puțin, ceva inspirat de furnici”, a spus Castro.
Între timp, inginerii vor studia îndeaproape mușchii furnicii – poate folosind imagistica prin rezonanță magnetică. Simulările pe calculator vor ajuta, de asemenea, să răspundă la întrebarea cum se poate mări dimensiunea unor structuri similare.
Blaine Lilly, profesor asociat de inginerie mecanică și aerospațială, a început această lucrare împreună cu fostul student Vienny Nguyen. Nguyen și-a obținut diploma de masterat cu acest proiect, iar acum este inginer de robotică la Johnson Space Center, unde ajută la proiectarea robotului Valkyrie al NASA pentru DARPA Robotics Challenge. Studenta de licență din Ohio State, Hiromi Tsuda, s-a alăturat recent echipei lui Castro și analizează mai în detaliu texturile de suprafață ale furnicii. Castro și Lilly au început, de asemenea, colaborări cu Noriko Katsube, de asemenea profesor de inginerie mecanică și aerospațială și expert în modelarea mecanică a biomaterialelor.
Finanțarea pentru această lucrare a venit de la Institutul de Cercetare a Materialelor din Ohio State și de la bursa de cercetare pentru absolvenți a lui Nguyen de la National Science Foundation. Resursele de calcul au fost furnizate de Ohio Supercomputer Center; sprijinul software-ului de modelare structurală a fost oferit de Simpleware Ltd.; și micro-CT de către laboratorul lui Richard Hart, profesor și președinte al Departamentului de Inginerie Biomedicală de la Ohio State.
.