Как баллистические муравьи-ловушки предотвращают самоуничтожение

Большинство муравьев ловко хватают пищу и зажимают ее парой нижних челюстей, похожих на палочки для еды. Но пойманные муравьи также способны сталкивать свои челюсти на чрезвычайно высокой скорости, поражая жертв за 0,77 мкс. Однако наносить такие баллистические удары — это риск. Животные, которые используют накопленную упругую энергию, такую ​​как катапульты, чтобы очень быстро выбрасывать свои конечности — вспомните прыгающих кузнечиков — также рискуют разорваться на части, если конечности не совсем вместе. И немногим удается обуздать такую ​​силу в конечностях, которыми они еще и умело манипулируют. Однако челюсть ловит муравьев (Одонтомах бруннеус) Управляйте обоими маневрами, а также неоднократно попадайте под дождь, не причиняя себе вреда. Сбитая с толку очевидным несоответствием, Шейла Патек из Университета Дьюка в США вместе с коллегами из институтов США и Великобритании выпустила нижнечелюстных муравьев, чтобы высвободить их мощные челюсти. Они публикуют свое открытие в Журнал экспериментальной биологии Чтобы муравьи одновременно толкали и втягивали нижнюю челюсть, используя энергию, накопленную в головном сухожилии и экзоскелете, чтобы вытолкнуть челюсти по идеальной самосохраняющейся дуге, позволяющей им многократно фиксироваться и нагружаться без вреда.

Чтобы раскрыть секрет баллистических муравьев, позволяющих избежать самоуничтожения, Чи Юн-ку (Университет Дьюка) осторожно поместил муравьев перед высокоскоростной камерой, чтобы снять 300 000 кадров в секунду, чтобы запечатлеть молниеносный маневр, когда насекомые разбились. нижняя челюсть вместе. «Когда мы воспроизводили видео в замедленном режиме, их штрихи были удивительно точными», — говорит Патек. Сразу после выпуска нижние челюсти вращались по идеальной дуге в течение первых 65 градусов, когда они столкнулись друг с другом, достигнув максимальной скорости вращения 470 000 об / мин, в то время как концы 1,38-мм корпусов рассекали воздух со средней скоростью 54,4 м. /s, прежде чем начать At замедление и, наконец, качание вперед и назад в конце жала. Кроме того, головка сжата, укорочена на 64 мкм (3,2 %) и вдавлена ​​внутрь на 41 мкм (6 %). «Мы поняли, что вся голова деформировалась для накопления упругой потенциальной энергии», — говорит Патек. Так как же муравьи использовали эту накопленную энергию, чтобы закрыть рот с такой головокружительной скоростью?

Подсчитав количество энергии, высвобождаемой, когда насекомые высвобождают свою сломанную нижнюю челюсть, команда обнаружила, что энергии, накопленной при деформации экзоскелета головы, было достаточно, чтобы протолкнуть нижнюю челюсть на 33 градуса идеального вращения, в то время как энергия, запасенная в пульсирующее сухожилие соединяет нижнюю челюсть с нижней челюстью. Массивная приводящая мышца в голове (составляющая 14% массы тела муравья) поддерживает оставшиеся 32 градуса.

Патек и Адам Саммерс (Вашингтонский университет, США), Грегори Саттон (Университет Линкольна, Великобритания) и Райан Ст. Мышца одновременно прикрепляется к внутреннему концу нижней челюсти, одновременно деформируя экзоскелет головы, накопление энергии в обеих структурах, в то время как нижняя челюсть зафиксирована в горизонтальном положении, ожидая освобождения. Затем, как только защелка, удерживающая нижнюю челюсть, освобождалась, энергия, запасенная в растянутом пружинящем сухожилии, тянула внутренний конец нижней челюсти назад, а деформированный экзоскелет возвращался в прежнюю форму, одновременно отталкивая нижнюю челюсть. вперед — и описав идеальную дугу. И когда Сен-Пьер и Саттон проверили теорию, их компьютерное моделирование плавно воспроизвело траекторию движения нижней челюсти.

Челюстные муравьи нашли механизм, который позволяет им координировать противодействующие силы, приводящие к идеальному вращению нижней челюсти, не оказывая никакого давления на хрупкий сустав, вокруг которого вращаются оси нижней челюсти, чтобы избежать повреждений, независимо от того, сколько раз вы ударяете муравьев. Патек подозревает, что другие подпружиненные существа также используют эту стратегию, и Сара Бергбрайтер (Университет Карнеги-Меллона, США) и Сьюзан Кокс (Университет Дьюка) предполагают, что революционный дизайн может быть воспринят инженерами. «Эти принципы могут быть включены в прецизионную робототехнику для повышения универсальности, точности и долговечности сверхбыстрых систем», — говорят они.

*******************

Если вы сообщаете об этой истории, пожалуйста, укажите в качестве источника Journal of Experimental Biology, а если вы сообщаете онлайн, пожалуйста, отправьте ссылку на:

https://journals.biologist.com/jeb/article-lookup/doi/10.1242/jeb.244077

Ссылка: Саттон Г.П., Сен-Пьер Р., Куо С.-Ю. , Саммерс А., Бергбрайтер С., Кокс С. и Патек С.Н. (2022). Двойные пружинные пары обеспечивают универсальность и высокоскоростное точное вращение в небольших биомеханических системах. J эксп. биол. 225JP 244077. doi: 10.1242/JP 244077.

DOI:10.1242 / JP 244077

Эта статья была опубликована на этом сайте, чтобы предоставить предварительный доступ другим лицензированным СМИ, которые могут пожелать сообщить об этой истории. Требуется полная атрибуция, а если требуется онлайн-репортаж, также ссылка на https://journals.biologist.com/jeb. Опубликованная здесь история защищена авторским правом. Перед любым воспроизведением каждой статьи полностью с разрешения biologist.com требуется предварительное разрешение.

Этот предмет зарезервирован до четверга, 21 июля 2022 г., 18:00 по восточному стандартному времени (23:00 по Гринвичу).


Отказ от ответственности: AAAS и EurekAlert! Не несет ответственности за точность информационных бюллетеней, отправляемых в EurekAlert! Через содействующие учреждения или для использования любой информации через систему EurekAlert.

Leave a Comment