Все мы знаем, что муравьи способны переносить вес, в несколько раз превышающий их собственный. В рамках нового исследования ученые решили выяснить границы этой невероятной грузоподъемности, а также ту механику, которая за это отвечает. Научные сотрудники Университета штата Огайо предполагают, что муравей способен поднять груз, весом в 5000 раз превышающий вес его собственного тела. При этом большая часть нагрузки ложится на его шею. Ученые уверены, что за счет таких наблюдений у нас может появиться возможность создавать более сильных и выносливых роботов.

Для своих научных исследований ученые решили вести наблюдение за аллеганским муравьем, обитающим на востоке Соединенных Штатов Америки. Для определения силы этого муравья, команда изыскателей провела эксперимент, направленный на определение того, какое давление способна выдержать шея муравья.

Несколько муравьев предварительно подержали в холодильной камере для своего рода анестезии, затем насекомых поместили внутрь центрифугальной установки, вроде той, что можно встретить на различных ярмарках развлечений. Установка представляет собой круглое помещение. При вращении и ускорении этого вращения внутри нее создается центрифужная сила, прижимающая все находящееся внутри к ее стенкам и фактически лишая возможности стоять на полу.

Ученые заметили, что те же силы начали воздействовать на муравьев. С набором скорости центрифуги насекомых стало притягивать к ее стенке, но все-таки 1 вещь позволила им остаться на месте — они в буквальном смысле приклеили свои головы к полу.

Сопоставив растущую прижимную силу и сопротивление, с которым с этой силой борется шея муравья, команда ученых смогла определить то, какой объем давления относительно веса своего тела способен выдержать муравей. Оказалось, что соединительные ткани шеи с телом насекомого могут растягиваться под давлением, сила которого в 350 раз превышает вес самого муравья. При этом общий вес воздействующей прижимной силы, которая все-таки смогла отделить тело муравья от его головы, оказался в 3400-5000 раз больше веса самого насекомого.

Во время эксперимента с центрифугой, ученые также использовали приборы компьютерной микротомографии, которые позволили проследить за тем, как ведут себя мягкие ткани шеи насекомого и его твердый экзоскелет (панцирь) на его голове и теле. Подобные контрастные и соединительные материалы, как правило, испытывают наибольшую нагрузку, однако, как говорят ученые, у муравьев «между этими тканями имеется плавный и сбалансированный переход», который позволяет увеличить общую выносливость. Именно эта особенность заинтересовала изыскателей и именно ее, по мнению ученых, людям следует учитывать при постройке роботов.

Эта особенность открывает возможности к постройке миниатюрных роботов, в которых будут использоваться как мягкие, так и твердые компоненты. Этот симбиоз позволит повысить силу и долговечность таких машин.

«Другие насекомые имеют похожие микроуровневые структурные особенности, и мы считаем, что они могли бы пригодиться и при разработке роботов», — говорит Карлос Кастро, доцент кафедры машиностроения и космической промышленности при Университете штата Огайо.

«Эти насекомые обладают способностью регулировать поведение своих мягких тканей и твердого внешнего экзоскелета, чтобы минимизировать нагрузку на организм и оптимизировать работу их функций. Они могут создавать трение или сцепку двигающихся частей, упрочняя тем самым общую структуру их организма».

Для исследования соединительной ткани и контактных поверхностей между головой, шеей и грудной частью муравья ученые использовали электронный микроскоп. Выявленные различия в текстуре каждой поверхности, различные выпуклости, а также похожие в некоторых местах на волоски структуры, по мнению ученых, тоже играют важную роль в невероятной силе насекомого.

Сейчас ученые ищут способы адаптации этих структурных особенностей в масштабах робототехники, хотя понимают всю сложность этой задачи, так как немаловажную роль здесь играет соотношение силы и маленького размера насекомого. Увеличение муравья до размера человека, например, приведет к увеличению его трехмерного объема, но мышцы в данном случае увеличатся только в двумерной плоскости, а соотношения массы к мускулатуре при этом уменьшится.

По мнению Кастро, возможности применения роботов подобной конструкции на твердой поверхности будут ограничены, подобная конструкция будет наиболее эффективна в условиях космоса, например, для передвижении грузов в условиях микрогравитации.

Подробные детали описанного выше исследования были недавно опубликованы в научном журнале Journal of Biomechanics.