Tajemství mravenčího krku

20. únor 2014

Americký mravenec snese zatížení 5000násobkem vlastní hmotnosti. Stavba kloubu, který spojuje jeho hlavu s hrudí, je dokonalá.

Letečtí konstruktéři z Ohijské univerzity, vedení Carlosem Castrem, hledají inspiraci v přírodě. Evoluce dovedla mnohá „přírodní zařízení“ k dokonalosti. Tak proč něco neokoukat?

Castro a jeho spolupracovníci se zaměřili na mravence druhu Formica exsectoides, který žije na východě USA a je tam znám jako alleghenský mohylový mravenec. První část jeho jména odkazuje na jeho domovinu v Alleghenském pohoří, druhá pak na schopnost vršit kuželovité „mohyly“ z písku a hlíny vysoké i přes jeden metr. Nadzemní i podzemní část mravenčího hnízda je protkaná hustým systémem chodeb. Nadzemní „mohylu“ prohřívanou sluníčkem využívají mravenci k inkubaci vajíček a odchovu larev.

Carlos Castro si nevybral tento mravenčí druh pro jeho stavitelské schopnosti, ale jednoduše proto, že mohl získat dostatek mravenců pro výzkum z umělé kolonie, kterou udržují na univerzitě pro svůj vlastní výzkum entomologové. Letecké konstruktéry zajímala schopnost mravenců nosit náklady, které jsou často stonásobně těžší než samotný mravenčí nosič. Zaujal je kloub, kterým mají mravenci napojenou hlavu k hrudi. Předběžně odhadli, že tento spoj vydrží zátěž tisíckrát větší, než je hmotnost mravenčího organismu. Ve studii, kterou zveřejnil vědecký časopis Journal of Biomechanics, vědci prokázali, že mravenčí „krk“ vydrží zátěž až 5000krát vyšší než je hmotnost mravence. „Jak se ukázalo, dost jsme mravence podcenili,“ přiznal Castro.

Snímky elektronového mikroskopu zobrazují spoj mezi hlavou a hrudí amerického mravence druhu Formica exsectoides

Vědci zkoumali spoj mezi hlavou a hrudí mravenců pomocí elektronového mikroskopu a také pomocí magnetické rezonance. Odolnost spoje studovali na mravencích, které znehybnili pobytem v nízké teplotě. Mravence pak připevnili na podložku a umístili do upravené centrifugy. Zvyšováním otáček odstředivky vystavovali mravenčí „krk“ stále vyššímu přetížení. Spoj se začal deformovat už při zátěži, která se vyrovnala 350 hmotnostem mravenčího těla. K porušení spoje však docházelo až při mnohem vyšších zátěžích od 3500 do 5000 násobků hmotnosti mravenčího těla.

Elektronový mikroskop a magnetická rezonance odhalily, proč je spoj tak odolný. Hlava a hruď mravence jsou kryty tvrdou a pevnou vnější kostrou z chitinu. Navzájem jsou však spojeny měkkými tkáněmi. Teprve mnohonásobné zvětšení elektronového mikroskopu odhalilo, že k ukotvení měkké spojovací tkáně na pevný povrch vnější kostry slouží mikroskopické výběžky vnější tuhé kostry, které zřejmě napomáhají dokonalému rozložení tahů a tlaků při zátěži spoje. Magnetická rezonance ukázala další „fígl“ evoluce. Tím je pozvolný přechod mezi měkkou spojovací tkání a pevnou vnější kostrou. Ve spoji není patrné ostré rozhraní mezi pružnou a pevnou tkání, kde by mohlo docházet k silným pnutím. Naopak, měkká tkáň postupně ztrácí pružnost a nabývá na tuhosti. Jeden typ tkáně plynule přerůstá v druhý.

Carlos Castro z Ohio State University s předmětem svého zájmu – mravencem, jehož „krk“ snese zátěž pěttisíckrát vyšší, než je jeho hmotnost těla

Castro doufá, že získané poznatky využije při konstrukci drobných, velmi odolných robotů, kteří by byli podobně výkonní nosiči a vzpěrači jako mravenci. Konstrukce větších robotů ale narazí na zásadní problém. Hmotnost roste s třetí mocninou rozměru a velký robot s anatomií mravence bude příliš těžký a značnou část energie vynaloží na vlastní pohyb. Sil na zvedání břemen už mu mnoho nezbude. Castro je nicméně přesvědčen, že velcí roboti inspirovaní anatomií mravenců by našli uplatnění v podmínkách mikrogravitace, například na oběžné dráze kolem Země nebo při letech do vzdálenějších oblastí vesmíru.

Zdroj: Ohio State University, Journal of Biomechanics

autor: Jaroslav Petr
Spustit audio

Více z pořadu

E-shop Českého rozhlasu

Víte, kde spočívá náš společný ukrytý poklad? Blíž, než si myslíte!

Jan Rosák, moderátor

slovo_nad_zlato.jpg

Slovo nad zlato

Koupit

Víte, jaký vztah mají politici a policisté? Kde se vzalo slovo Vánoce? Za jaké slovo vděčí Turci husitům? Že se mladým paním původně zapalovalo něco úplně jiného než lýtka? Že segedínský guláš nemá se Segedínem nic společného a že známe na den přesně vznik slova dálnice? Takových objevů je plná knížka Slovo nad zlato. Tvoří ji výběr z rozhovorů moderátora Jana Rosáka s dřívějším ředitelem Ústavu pro jazyk český docentem Karlem Olivou, které vysílal Český rozhlas Dvojka.