openscience

Πρόσφατη μελέτη της εμβιομηχανικής του αυχένα των μυρμηγκιών - ένα κοινό έντομο που μπορεί εκπληκτικά να σηκώσει αντικείμενα πολλές φορές βαρύτερα από το ίδιο του το σώμα - θα μπορούσε να ξεκλειδώσει ένα από τα μικρά μυστήρια της φύσης και, πολύ πιθανόν, να ανοίξει την πόρτα στην πρόοδο της ρομποτικής τεχνολογίας.

Μια μικρή ομάδα μηχανικών στο Πανεπιστήμιο του Ohio State συνδύασε εργαστηριακές δοκιμές και υπολογιστική μοντελοποίηση, η οποία διεξήχθη στο Κέντρο Υπερυπολογιστών του Ohio, για να καθορίσει τη σχέση μεταξύ της μηχανικής λειτουργίας, του δομικού σχεδιασμού και των ιδιοτήτων υλικού του μυρμηγκιού Allegheny (Formica exsectoides).

Η μελέτη εστίασε στον αυχένα του μυρμηγκιού – τη μοναδική άρθρωση μαλακού ιστού που γεφυρώνει τον άκαμπτο εξωσκελετό του κεφαλιού του μυρμηγκιού με τον θώρακα. Όταν ένα μυρμήγκι μεταφέρει τρόφιμα ή οποιοδήποτε άλλο αντικείμενο, η άρθρωση του αυχένα στηρίζει όλο το βάρος του φορτίου.

"Τα φορτία ανυψώνονται με τα στοματικά μόρια, μεταφέρονται μέσω της άρθρωσης του αυχένα στο θώρακα και κατανέμονται στα έξι πόδια και ταρσούς που στηρίζονται στην υποκείμενη επιφάνεια", εξήγησε ο Carlos Castro, επίκουρος καθηγητής μηχανολογικής και αεροδιαστημικής μηχανικής στο Ohiο State και πρόσθεσε: "Ενώ παλαιότερη έρευνα μελέτησε τους μηχανισμούς προσάρτησης των ταρσών, λίγα είναι γνωστά για τη σχέση μεταξύ της μηχανικής λειτουργίας, του δομικού σχεδιασμού και των ιδιοτήτων του υλικού του μυρμηγκιού".

Για να κατανοήσουν καλύτερα τις αντοχές και τα ανώτατα όρια του αυχένα του μυρμηγκιού, οι ερευνητές ανακατασκεύασαν την εμβιομηχανική μέσω της ανάπτυξης τρισδιάστατων μοντέλων της εσωτερικής και της εξωτερικής ανατομίας του μυρμηγκιού. Τα μοντέλα δημιουργήθηκαν με την εισαγωγή εικόνων διατομής ακτίνων Χ (microCT) από δείγματα μυρμηγκιού σε ένα πρόγραμμα μοντελοποίησης (ScanIPþFE), το οποίο συναρμολόγησε τα τμήματα και τα μετέτρεψε σε ένα μοντέλο πλεγματικού πλαισίου περισσότερων από 6,5 εκατομμυρίων στοιχείων.

Το μοντέλο, στη συνέχεια, φορτώθηκε σε ένα πρόγραμμα ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων (Abaqus), μια εφαρμογή που δημιουργεί ακριβείς προσομοιώσεις πολύπλοκων γεωμετριών και δυνάμεων, και τα δεδομένα υπέστησαν επεξεργασία στο πανίσχυρο Oakley Cluster, μια σειρά από 8.300 πυρήνες επεξεργαστή (Intel Xeon) στο Κέντρο Υπερυπολογιστών του Ohio.

Οι προσομοιώσεις πραγματοποιήθηκαν σε συνδυασμό με εργαστηριακά πειράματα, τα οποία χρησιμοποίησαν μια φυγόκεντρο για τη μέτρηση των αλλαγών στην ανατομία των μυρμηγκιών κάτω από μια σειρά από υπολογισμένα φορτία. Τα πειράματα αποκάλυψαν ότι οι αρθρώσεις του αυχένα μπορούσαν να αντέξουν φορτία περίπου 5.000 φορές το βάρος του σώματος του μυρμηγκιού και ότι η δομή της άρθρωσης του αυχένα του παρουσίαζε την υψηλότερη αντοχή, όταν το κεφάλι του ήταν ευθυγραμμισμένο με το υπόλοιπο σώμα, σε αντίθεση με τις περιπτώσεις που ήταν στραμμένο προς κάποια πλευρά .

"Τα αποτελέσματά μας σημειώνουν με ακρίβεια τη συγκέντρωση της τάσης που οδηγεί σε αστοχία του αυχένα και εντοπίζουν τη διεπιφάνεια μαλακού-σκληρού υλικού στη μεταβατική περιοχή του αυχένα προς το κεφάλι ως τη θέση της αστοχίας", ανέφερε ο Castro. "Ο σχεδιασμός και η δομή αυτής της διεπιφάνειας είναι κρίσιμα για την απόδοση της άρθρωσης του αυχένα. Η μοναδική διεπιφάνεια μεταξύ σκληρών και μαλακών υλικών πιθανόν ενισχύει την πρόσφυση και μπορεί να είναι ένα βασικό χαρακτηριστικό δομικού σχεδιασμού που επιτρέπει τη μεγάλη ικανότητα στήριξης φορτίων της άρθρωσης του αυχένα".

Οι προσομοιώσεις επιβεβαίωσαν την κατευθυντική δύναμη της άρθρωσης και, σε συμφωνία με τα πειραματικά αποτελέσματα, έδειξαν ότι το κρίσιμο σημείο για την αστοχία της άρθρωσης του αυχένα είναι στη μετάβαση αυχένα προς κεφάλι, όπου η μαλακή μεμβράνη συναντά το σκληρό εξωσκελετό.

"Η άρθρωση του αυχένα (του μυρμηγκιού) είναι ένα σύνθετο και ιδιαίτερα ολοκληρωμένο μηχανικό σύστημα. Οι προσπάθειες για την κατανόηση της σχέσης δομής-λειτουργίας σε αυτό το σύστημα θα συμβάλουν στην κατανόηση των παραδειγμάτων σχεδιασμού για βελτιστοποιημένους εξωσκελετικούς μηχανισμούς", ανέφερε η παλιά φοιτήτρια του Ohio State, Vienny Ν. Nguyen, στη μεταπτυχιακή διατριβή της το 2012 πάνω σε αυτή την έρευνα. Η Nguyen , πλέον μηχανικός ρομποτικής στο διαστημικό κέντρο Johnson, είχε εργαστεί στο έργο υπό την εποπτεία του Blaine Lilly, ενός αναπληρωτή καθηγητή μηχανολογικής και αεροδιαστημικής μηχανικής στο Ohio State. Οι Nguyen και Lilly συμμετέχουν με τον Castro στη δημοσίευση του περιοδικού.

"Καθώς κοιτάζουμε προς το μέλλον των βοηθητικών για τον άνθρωπο συσκευών και της υπερ-ελαφριάς ρομποτικής", δήλωσε η Nguyen, "η ανάπτυξη μοντέλων 3 ​​διαστάσεων για την οπτική ανάλυση και η φόρτωση και η κινηματική προσομοίωση θα χρησιμεύσουν επίσης ως εργαλεία για την αξιολόγηση και σύγκριση της λειτουργικής μορφολογίας πολλαπλών ειδών και τύπων αρθρώσεων".