S hlavou pevně na krku: Síla křehkých mravenců

Návštěvník amerického Apalačského pohoří jen těžko přehlédne více než metr vysoké „mohyly“ navršené z hlíny a písku. Jsou dílem mravence druhu Formica exsectoides, který je domovem na východě USA. Protože se hojně vyskytuje v Alleghenském hřebeni Apalačských hor, vysloužil si u místních lidí jméno alleghenský mohylový mravenec.

Evoluce jako nejlepší konstruktér

Mohyly, které jsou hnízdem těchto mravenců, jsou protkány hustým systémem chodeb a jejich labyrint sahá hluboko pod úroveň okolního terénu. Nadzemní „poschodí“ prohřívaná sluníčkem využívají mravenci k inkubaci vajíček a odchovu larev. Suterén mraveniště kolonii slouží jako „technické zázemí“.

O alleghenského mohylového mravence se nezajímají jen biologové, ale také letečtí konstruktéři z Ohijské univerzity vedení Carlosem Castrem. Ti u mravence hledají inspiraci pro výrobu superpevných spojů. Mravenci totiž přinášejí do hnízda kořist, která někdy stonásobně převyšuje hmotnost jejich vlastní tělesné schránky. Přitom dochází k enormní zátěži spoje mezi hlavou a hrudí. Jak to, že mravenci jeho obludný náklad nezlomí krk?
Evoluce měla na řešení podobných „konstrukčních problémů“ miliony roků a u mravenců je dovedla k dokonalosti.

Podceněné „supertělo“

Castro a jeho spolupracovníci doufají, že se jim „průmyslovou špionáží“ v přírodě povede zdokonalit nejen moderní letadla, ale třeba i roboty. Mravence druhu Formica exsectoides si nevybrali cíleně pro jeho výkony. Hlavní roli tu sehrál fakt, že mohli celkem snadno získat dostatek mravenců pro výzkum z umělé kolonie, kterou udržují na univerzitě pro svůj vlastní výzkum tamější entomologové.

Letečtí konstruktéři předběžně odhadli, že spoj mezi hlavou a hrudí mravence vydrží zátěž tisíckrát větší, než je hmotnost mravenčího organismu. Ve studii, kterou zveřejnil vědecký časopis Journal of Biomechanics, však prokázali, že mravenčí „krk“ vydrží zátěž až 5 000krát vyšší, než je hmotnost mravence. „Jak se ukázalo, dost jsme mravence podcenili,“ přiznal Castro.

Ani tvrdý, ani měkký spoj

Vědci zkoumali spoj mezi hlavou a hrudí mravenců elektronovým mikroskopem 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 jeho porušení však docházelo až při mnohem vyšších zátěžích od 3 500 do 5 000 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 ukázalo, 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 představila vědcům 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.

Mravenčí roboti do kosmu

Carlos Castro se rozhodl prostudovat do detailu poměry sil v mravenčím krku během zátěže. Pořídil proto detailní rentgenové snímky spoje mezi mravenčí hlavou a hrudí pomocí speciálního počítačového tomografu a data z nich pak převedl do počítačového modelu, jenž „vidí“ mravenčí „krk“ jako vzájemně propojenou síť tvořenou 6,5 miliony bodů. Pro modelování použili vědci nesmírně výkonného superpočítače. Jen ten dokázal v rozumném čase zvládnout komplikované výpočty. Model beze zbytku potvrdil výsledky experimentů. Při zátěži mravenčího krku“ se největší napětí hromadí skutečně v místech kontaktu měkkých tkání s tuhou vnější kostrou mravenčího těla. Jedinečný „přírodní design“ brání tomu, aby se spoj stal slabým článkem. Mravenci, kteří v minulosti neměli spoj dokonale vyvinutý, neunesli tak velká břemena, nosili do kolonie méně potravy a vyklidili pozice zdatnějším mravencům s odolnější šíjí.

TIP: Delší objížďky jim nevadí: Mravenčí vzorec pro rychlou cestu

Castro doufá, že získané poznatky využije při konstrukci drobných, velmi odolných robotů, kteří zvládnou podobnou zátěž jako alleghenský mohylový mravenec. Konstrukce větších robotů narazí na zásadní problém. Hmotnost roste s třetí mocninou rozměrů a velký robot s anatomií mravence bude příliš těžký. Značnou část energie vynaloží na vlastní pohyb a na zvedání břemen už mu mnoho sil nezbude. Castro je nicméně přesvědčen, že velcí roboti inspirovaní anatomií mravenců najdou uplatnění ve stavu beztíže, například na oběžné dráze kolem Země nebo při letech do vzdálenějších oblastí vesmíru.