av Pam Frost Gorder
Höga förhoppningar kan hjälpa till att flytta en gummiträdplanta (som den gamla sången säger), men den verkliga hemligheten bakom myrans legendariska styrka kan ligga i dess lilla nackled.
I Journal of Biomechanics rapporterar forskare att nackleden hos en vanlig amerikansk fältmyra kan motstå tryck upp till 5 000 gånger myrans vikt.
”Myror är imponerande mekaniska system – otroliga, verkligen”, säger Carlos Castro, biträdande professor i mekanik och flygteknik vid Ohio State University. ”Innan vi började gjorde vi en något försiktig uppskattning att de skulle klara 1 000 gånger sin vikt, men det visade sig vara mycket mer.”
Ingenjörerna undersöker om liknande leder skulle kunna göra det möjligt för framtida robotar att efterlikna myrans förmåga att lyfta vikt på jorden och i rymden.
Andra forskare har länge observerat myror på fältet och gissat att de kunde lyfta hundra gånger sin kroppsvikt eller mer, att döma av den last av löv eller bytesdjur som de bar. Castro och hans kollegor tog ett annat tillvägagångssätt.
De plockade isär myrorna.
”Precis som i alla andra tekniska system, om man vill förstå hur något fungerar, plockar man isär det”, säger han. ”Det kan låta lite grymt i det här fallet, men vi sövde dem först.”
Ingenjörerna undersökte Allegheny mound-myran (Formica exsectoides) som om den var en apparat som de ville göra om: de testade dess rörliga delar och de material som den är tillverkad av.
De valde den här specifika arten eftersom den är vanlig i östra USA och lätt kunde fås från universitetets insektskammare. Det är en genomsnittlig fältmyra som inte är särskilt känd för sin lyftförmåga.
De avbildade myrorna med elektronmikroskopi och röntgade dem med micro-CT-maskiner (micro-computed tomography). De placerade myrorna i ett kylskåp för att söva dem och limmade dem sedan med ansiktet nedåt i en specialdesignad centrifug för att mäta den kraft som krävs för att deformera halsen och så småningom bryta huvudet från kroppen.
Centrifugen fungerade enligt samma princip som en vanlig karnevalsattraktion som kallas ”rotor”. I rotorn snurrar ett cirkulärt rum tills centrifugalkraften fäster människor vid väggen och golvet faller ut. I myrornas fall var deras huvuden limmade på plats på golvet i centrifugen, så att när den snurrade skulle myrornas kroppar dras utåt tills deras halsar sprack.
Centrifugen snurrade upp till hundratals rotationer per sekund, och varje ökning av hastigheten utövade mer utåtriktad kraft på myran. Vid krafter som motsvarade 350 gånger myrornas kroppsvikt började nackleden sträcka sig och kroppen förlängdes. Myrornas halsar bröts vid krafter på 3 400-5 000 gånger deras genomsnittliga kroppsvikt.
Mikro-CT-skanningar avslöjade nackens mjukvävnadsstruktur och dess koppling till huvudets och kroppens hårda exoskelett. Elektronmikroskopiska bilder visade att varje del av huvud-hals-bröstledet var täckt av en annan textur, med strukturer som såg ut som knölar eller hårstrån som sträckte sig från olika ställen.
”Andra insekter har liknande strukturer i mikroskala, och vi tror att de kan spela någon form av mekanisk roll”, säger Castro. ”De kan reglera hur den mjuka vävnaden och det hårda exoskelettet kommer samman, för att minimera stress och optimera den mekaniska funktionen. De kan skapa friktion eller stödja en rörlig del mot en annan.”
En annan viktig del av konstruktionen tycks vara gränssnittet mellan nackens mjuka material och huvudets hårda material. Sådana övergångar skapar vanligtvis stora spänningskoncentrationer, men myrorna har en graderad och gradvis övergång mellan materialen som ger förbättrad prestanda – en annan konstruktionsegenskap som skulle kunna visa sig vara användbar i konstruktioner gjorda av människor.
”Nu när vi förstår gränserna för vad just den här myran klarar av och hur den beter sig mekaniskt när den bär på en belastning, vill vi förstå hur den rör sig. Hur håller den sitt huvud? Vad förändras när myran bär belastningar i olika riktningar?”
En dag kan denna forskning leda till mikrostora robotar som kombinerar mjuka och hårda delar, precis som myrans kropp gör. Mycket arbete inom robotik i dag handlar om att sätta ihop små, autonoma enheter som kan arbeta tillsammans.
Men ett svårt problem kommer att uppstå om forskarna försöker skapa stora robotar baserade på samma konstruktion, förklarade Castro.
Myror är superstarka i liten skala eftersom deras kroppar är så lätta. Inne i deras hårda exoskelett behöver deras muskler inte ge mycket stöd, så de kan använda all sin styrka till att lyfta andra föremål. Människor däremot bär förhållandevis tunga laster på grund av vår kroppsvikt. Med våra muskler som stödjer vår kroppsvikt har vi inte lika mycket kraft över för att lyfta andra föremål.
I mänsklig storlek övervinns myrorna dock av grundläggande fysik. Deras vikt ökar med deras totala volym (dimensioner i kubik), medan muskelstyrkan bara ökar med ytan (dimensioner i kvadrat). Så en myra i mänsklig storlek, om den skulle existera utanför en skräckfilm, skulle troligen inte vara så framgångsrik när det gäller att bära extrema laster i mänsklig skala.
En stor robot baserad på den konstruktionen skulle dock kunna bära och bogsera last i mikrogravitation, så det är möjligt att vi en dag kommer att använda oss av jättelika robotmyror i rymden, ”eller åtminstone något som är inspirerat av myror”, säger Castro.
Under tiden kommer ingenjörerna att studera myrans muskler noggrant – kanske med hjälp av magnetresonanstomografi. Datorsimuleringar kommer också att hjälpa till att besvara frågan om hur liknande strukturer kan skalas upp.
Blaine Lilly, biträdande professor i maskin- och rymdteknik, inledde detta arbete tillsammans med den tidigare studenten Vienny Nguyen. Nguyen fick sin masterexamen med detta projekt och är nu robotingenjör vid Johnson Space Center, där hon hjälper till att utforma NASA:s Valkyrie-robot för DARPA Robotics Challenge. Ohio State-studerande Hiromi Tsuda anslöt sig nyligen till Castros team, och hon analyserar myrans ytstrukturer mer i detalj. Castro och Lilly har också inlett ett samarbete med Noriko Katsube, som också är professor i maskinteknik och flygteknik och expert på mekanisk modellering av biomaterial.
Finansiering av detta arbete kom från Ohio State Institute for Materials Research och Nguyens National Science Foundation graduate research fellowship. Datorresurser tillhandahölls av Ohio Supercomputer Center, programvaran för strukturell modellering tillhandahölls av Simpleware Ltd. och mikro-CT tillhandahölls av Richard Hart, professor och ordförande för institutionen för biomedicinsk teknik vid Ohio State.