Hvordan ballistiske fælde-kæbemyrer forhindrer selvdestruktion med en perfekt mandibelbue

De fleste myrer tager behændigt fat i og klipper deres mad med et par spisepindelignende mandibler. Men kæbemyrer er også i stand til at slå deres kæber sammen med blæsende høje hastigheder og ramme ofrene på 0,77 μs. Alligevel udgør det en risiko at udløse sådanne ballistiske slag. Dyr, der udnytter lagret elastisk energi som en katapult til at slynge lemmer med stor hastighed - tænk springende græshopper - er også i fare for at rive sig selv fra hinanden, hvis lemmerne ikke er perfekt justeret. Og få lykkes med at udnytte en sådan kraft i lemmer, mens de er i stand til behændig manipulation. Dog klarer kæbemyrer (Odontomachus brunneus) begge manøvrer, ud over at de regner slag ned gentagne gange uden at skade sig selv.

Forundret over det tilsyneladende paradoks udløste Sheila Patek fra Duke University, USA, sammen med kolleger fra amerikanske og britiske institutioner fælde-kæbemyrer til at slippe deres kraftige mandibler løs. De offentliggjorde deres opdagelse i Journal of Experimental Biology at myrerne samtidig skubber og trækker mandiblerne ved hjælp af energi lagret i en hovedsene og deres eksoskelet til at drive kæberne i en perfekt selvbevarende bue, så de gentagne gange kan låse og belaste uden at komme til skade.

For at afsløre den ballistiske myres hemmelighed for at undgå selvdestruktion, sikrede Chi-Yun Kuo (Duke University), forsigtigt myrer foran et højhastighedskamera, der filmede med 300.000 billeder/s for at fange den lynhurtige manøvre, da insekterne styrtede ned mandibler sammen.

"Da vi afspillede videoerne i slowmotion, var deres anslag spektakulært præcise," siger Patek. Umiddelbart efter frigivelsen roterede mandiblerne i en perfekt bue gennem de første 65 grader, da de stødte sammen, og nåede en toprotationshastighed på 470.000 rpm, mens spidserne af de 1,38 mm lange strukturer skar gennem luften med hastigheder på gennemsnitligt 54,4m/s. , før du begynder at bremse og til sidst vipper frem og tilbage i slutningen af ​​en bid.

Derudover blev hovedet komprimeret og forkortet med 64 μm (3,2 %), mens det blev presset indad med 41 μm (6 %). "Vi indså, at hele hovedet blev deformeret for at lagre elastisk potentiel energi," siger Patek. Så hvordan brugte myrerne denne lagrede energi til at lukke deres munddele med så utrolige hastigheder?

Ved at beregne mængden af ​​energi, der frigives, da insekterne slap deres knusende mandibler løs, opdagede holdet, at den energi, der blev lagret, da hovedets eksoskelet blev deformeret, var tilstrækkelig til at drive mandiblerne gennem 33 graders perfekt rotation, mens energi lagret i den fjedrende sene, der fastgør mandiblen til den enorme adduktormuskel inde i hovedet (som omfatter 14 % af myrens kropsmasse) drev de resterende 32 grader.

Patek, Adam Summers (University of Washington, U.S.), Gregory Sutton (University of Lincoln, U.K.) og Ryan St Pierre (University of Buffalo, U.S.), undrede sig over, hvordan den massive adduktormuskel kunne drive mandiblernes perfekt cirkulære baner, at musklen kunne samtidigt strække senen, der forbinder musklen med den indre ende af underkæben, mens den også deformerer hovedets eksoskelet, lagre energi i begge strukturer, mens underkæben var låst vandret i position og ventede på at blive affyret.

Så snart låsen, der holdt underkæben på plads, blev udløst, trak energien lagret i den strakte fjedrende sene den indvendige ende af underkæben bagud, mens det deforme eksoskelet sprang tilbage i form - samtidig med at skubbede underkæben fremad - og fejede den ind. en perfekt bue. Og da St. Pierre og Sutton testede teorien, gengav deres computersimulering underkæbens bane problemfrit.

Fældekæbemyrer har fundet en mekanisme, der gør det muligt for dem at koordinere de modsatrettede kræfter, der driver den perfekte mandible-rotation, uden at belaste det skrøbelige led, som underkæben drejer om for at undgå skader, uanset hvor ofte myren slår. Patek har mistanke om, at andre fjederbelastede skabninger også bruger strategien, og hun, Sarah Bergbreiter (Carnegie Mellon University, U.S.) og Suzanne Cox (Duke University) foreslår, at det revolutionerende design kunne omfavnes af ingeniører. "Principperne kan indarbejdes i mikrorobotik for at forbedre multifunktionalitet, præcision og levetid af ultrahurtige systemer," siger de.