Как муравьи-щелкуны избегают саморазрушения идеальной дугой челюстей

Большинство муравьев ловко хватают и отрезают пищу парой похожих на палочки для еды мандибул. Однако муравьи-щелкуны (Odontomachus brunneus) также способны смыкать челюсти с ослепительной скоростью, поражая жертв за 0.77 мкс. Но использование таких баллистических ударов сопряжено с риском. Животные, использующие запасенную упругую энергию, как катапульта, для стремительного выброса конечностей (например, прыгающие кузнечики), также рискуют разорвать себя на части, если конечности не идеально выровнены. Немногие могут совмещать такую мощь в конечностях со способностью к ловким манипуляциям. Тем не менее, муравьи-щелкуны справляются с обеими задачами и могут наносить удары многократно, не повреждая себя.

Чтобы раскрыть секрет избегания саморазрушения, Шейла Патек (Университет Дьюка, США) с коллегами из учреждений США и Великобритании спровоцировала муравьев использовать свои мощные мандибулы. Они обнаружили, что муравьи одновременно толкают и тянут мандибулы, используя энергию, запасенную в сухожилии головы и экзоскелете, чтобы направить челюсти по идеальной, самосохраняющей дуге. Это позволяет им многократно "взводить" и использовать механизм без вреда для себя. Исследование опубликовано в Journal of Experimental Biology.

Ход эксперимента и наблюдения

Чи-Юнь Куо (Университет Дьюка) аккуратно зафиксировал муравьев перед высокоскоростной камерой, снимавшей со скоростью 300 000 кадров/с, чтобы запечатлеть молниеносное смыкание челюстей.

"Когда мы воспроизвели видео в замедленной съемке, их удары были потрясающе точными", — говорит Патек. Сразу после освобождения мандибулы вращались по идеальной дуге на первые 65 градусов, достигая максимальной скорости вращения 470 000 об/мин. Кончики структур длиной 1.38 мм рассекали воздух со средней скоростью 54.4 м/с, после чего начинали замедляться и в конце ударного движения колебались вперед-назад.

Кроме того, голова сжималась, укорачиваясь на 64 мкм (3.2%) и сдавливаясь внутрь на 41 мкм (6%). "Мы поняли, что вся голова деформируется, чтобы запасти упругую потенциальную энергию", — объясняет Патек.

Источники энергии и механизм

Расчет энергии, высвобождаемой при ударе, показал:

  • Энергия, запасенная при деформации экзоскелета головы, была достаточной для вращения мандибул на 33 градуса по идеальной дуге.
  • Энергия, запасенная в упругом сухожилии, соединяющем мандибулу с огромной аддукторной мышцей внутри головы (составляющей 14% массы тела муравья), обеспечивала оставшиеся 32 градуса.

Аддукторная мышца одновременно растягивает сухожилие, связывающее ее с внутренним концом мандибулы, и деформирует экзоскелет головы, запасая энергию в обеих структурах, пока мандибула зафиксирована в горизонтальном положении в ожидании "выстрела".

Как только защелка, удерживающая мандибулу, отпускается:

  • Энергия, запасенная в растянутом упругом сухожилии, тянет внутренний конец мандибулы назад.
  • Деформированный экзоскелет возвращается в исходную форму, толкая мандибулу вперед.

Эти две противоположные силы заставляют мандибулу двигаться по идеальной дуге. Компьютерное моделирование, проведенное Райаном Сен-Пьером (Университет Буффало, США) и Грегори Саттоном (Университет Линкольна, Великобритания), бесшовно воспроизвело эту траекторию.

Значение открытия

Муравьи-щелкуны нашли механизм, позволяющий координировать противоположные силы для идеального вращения мандибулы, не создавая нагрузки на хрупкий сустав, вокруг которого она поворачивается. Это предотвращает повреждения независимо от частоты ударов.

Патек предполагает, что другие "пружинные" существа также используют эту стратегию. Она, Сара Бергбрайтер (Университет Карнеги-Меллон, США) и Сюзанна Кокс (Университет Дьюка) полагают, что эта революционная конструкция может быть использована инженерами: "Принципы могут быть внедрены в микроробототехнику для улучшения многофункциональности, точности и долговечности сверхбыстрых систем".