Огненные муравьи образуют плоты, чтобы пережить наводнение. Изображение: Роберт Вагнер
Огненные муравьи образуют плоты, чтобы пережить наводнение, но как работают эти связи? И чему мы можем у них научиться? Профессор Бингемтонского университета штата Нью-Йорк исследует эти вопросы, чтобы расширить наши знания в области материаловедения.
Когда наводнение обрушивается на регион, где живут огненные муравьи, их реакция выживания заключается в том, чтобы сцепиться вместе, образуя плавучий «плот», который плавает и сохраняет единство колонии. Думайте об этом как о сжатом, адаптивном материале, строительные блоки которого — отдельные муравьи — на самом деле живы.
Доцент Бингемтонского университета Роб Вагнер провел исследование в рамках Лаборатории механики мягких материалов Вернери в Университете Колорадо в Боулдере, в ходе которого исследователи исследовали адаптивную реакцию этих живых плотов. Цель состоит в том, чтобы понять, как они автономно трансформируются и меняют свои механические свойства, а затем внедрить простейшие и наиболее полезные открытия в искусственные материалы.
«Живые системы всегда очаровывали меня, потому что они достигают того, чего наши нынешние инженерные материалы не могут — даже близко», — сказал он. «Мы производим объемные полимерные системы, металлы и керамику, но они пассивны. Компоненты не накапливают энергию, а затем преобразуют ее в механическую работу, как это делает каждая отдельная живая система».
Вагнер считает, что такое хранение и преобразование энергии имеет важное значение для имитации разумного и адаптивного поведения живых систем.
В их последняя публикация в Труды Национальной академии наукВагнер и его соавторы из Университета Колорадо исследовали, как плоты огненных муравьев реагируют на механическую нагрузку при растяжении, и сравнили реакцию этих плотов на динамические самовосстанавливающиеся полимеры.
«Многие полимеры удерживаются вместе динамическими связями, которые разрываются, но могут восстанавливаться», — сказал Вагнер. «Когда тянут достаточно медленно, эти связи успевают реструктурировать материал так, что вместо того, чтобы разрушаться, он течет, как слизь, с которой играют наши дети, или мягкое мороженое. Однако, если тянуть очень быстро, он ломается, скорее, как мел. …Поскольку плоты скрепляются муравьями, цепляющимися друг за друга, их связи могут разорваться и восстановиться. Итак, мы с коллегами подумали, что они сделают то же самое».
Но Вагнер и его коллеги обнаружили, что независимо от того, с какой скоростью они тянули муравьиные плоты, их механическая реакция была почти одинаковой, и они никогда не текли. Вагнер предполагает, что муравьи рефлекторно сжимают и продлевают захват, когда чувствуют силу, потому что хотят остаться вместе. Они либо приглушают, либо выключают свое динамическое поведение.
Этот феномен связей, которые становятся сильнее, когда к ним применяется сила, называется поведением цепляющих связей, и он, вероятно, усиливает сплоченность колонии, что имеет смысл для выживания.
«Если вы потянете за типичные связи с некоторой силой, они быстрее оторвутся, и срок их службы уменьшится — вы ослабляете связь, потянув за нее. Это то, что вы видите практически в любой пассивной системе. “, – сказал Вагнер.
«Но в живых системах из-за их сложности иногда могут возникать ловчие связи, которые удерживаются в течение более длительного времени при определенном диапазоне приложенных сил. Некоторые белки делают это механистически и автоматически, но это не похоже на то, что белки принимают решения. Они просто устроены таким образом, что при приложении силы обнажаются места связывания, которые фиксируются или «захватываются».
Вагнер считает, что имитация этих цепляющих связей в инженерных системах может привести к созданию искусственных материалов, которые будут проявлять автономное, локализованное самоупрочнение в регионах с более высоким механическим напряжением. Это может увеличить срок службы биомедицинских имплантатов, клеев, волокнистых композитов, компонентов мягкой робототехники и многих других систем.
Коллективные скопления насекомых, такие как плоты огненных муравьев, уже вдохновляют исследователей на разработку материалов с механическими свойствами и поведением, реагирующими на раздражители. Документ в Природные материалы ранее в этом году под руководством Лаборатории биоматериалов Ware Responsive Biomaterials в Техасском A&M, включая вклад Вагнера и его бывшего научного руководителя профессора Франка Дж. Вернери, демонстрируется, как ленты, сделанные из специальных гелей или материалов, называемых жидкокристаллическими эластомерами, могут скручиваться из-за нагрева. а затем переплетаются друг с другом, образуя конденсированные, твердые структуры, вдохновленные этими муравьями.
«Естественным продолжением этой работы является ответ на вопрос, как мы можем заставить взаимодействия между этими лентами или другими мягкими строительными блоками «схватываться» под нагрузкой, как это делают огненные муравьи, и некоторые биомолекулярные взаимодействия», — сказал Вагнер.
Предоставлено Бингемтонским университетом