Moviéndose a velocidades miles de veces más rápidas que un abrir y cerrar de ojos, las mandíbulas cargadas por resorte de una hormiga trampa atrapan a la presa del insecto por sorpresa y también pueden lanzar a la hormiga al aire si dirige sus mordiscos al suelo. Ahora, los científicos han revelado cómo las mandíbulas de las hormigas pueden cerrarse a la velocidad del rayo sin romperse bajo la fuerza.
En un nuevo estudio, publicado el jueves 21 de julio en la Revista de Biología Experimental (se abre en una nueva pestaña)un equipo de biólogos e ingenieros estudió una especie de hormiga de mandíbula trampa llamada Odontomachus brunneus, nativo de partes de los Estados Unidos, América Central y las Indias Occidentales. Para acumular poder para sus picaduras ultrarrápidas, las hormigas primero separan sus mandíbulas, de modo que forman un ángulo de 180 grados, y las «martillan» contra los pestillos dentro de sus cabezas. . Enormes músculos, unidos a cada mandíbula por una cuerda similar a un tendón, las colocan en su lugar y luego se flexionan para acumular una reserva elástica de energía; esta flexión es tan extrema que distorsiona los lados de la cabeza de la hormiga, lo que hace que se incline hacia adentro, encontró el equipo. Cuando la hormiga ataca, sus mandíbulas se abren y esta energía almacenada se libera de inmediato, haciendo que las mandíbulas se partan.
Los investigadores examinaron en detalle este mecanismo de resorte, pero los ingenieros del proyecto se preguntaron cómo podría funcionar el sistema sin generar demasiada fricción. La fricción no solo reduciría la velocidad de las mordazas, sino que también generaría un desgaste destructivo en el punto de rotación de cada mordaza. Usando modelos matemáticos, finalmente encontraron una respuesta sobre cómo las hormigas trampa evitan este problema.
«Esa es la parte que entusiasma tanto a los ingenieros», en parte porque el descubrimiento podría allanar el camino para la construcción de pequeños robots cuyas partes puedan girar con una velocidad y precisión incomparables, Sheila Patek, profesora de biología Hehmeyer en la Universidad de Duke en Durham, Carolina del Norte. , y el autor principal del estudio, dijo a WordsSideKick.com.
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Un sistema de resorte casi sin fricción
Para estudiar las increíbles mandíbulas de brunneus, Patek y sus colegas recolectaron hormigas de una colonia encontrada en un matorral cerca de Lake Placid, Florida. De vuelta en el laboratorio, el equipo diseccionó algunas de las hormigas y tomó medidas detalladas y micro-tomografías computarizadas de sus partes del cuerpo, especialmente sus mandíbulas y músculos y el exoesqueleto de la cabeza. Luego incorporaron estas medidas en sus modelos matemáticos de los movimientos de las hormigas.
Además, el equipo colocó hormigas frente a una cámara de alta velocidad que capturaba imágenes a 300 000 fotogramas por segundo. (El video generalmente se graba a 24 a 30 cuadros por segundo, a modo de comparación). Estos videos revelaron que cuando las hormigas se preparaban para atacar, el exoesqueleto que cubría sus cabezas experimentó una compresión significativa, acortándose en aproximadamente un 3%, a lo largo y creciendo. alrededor del 6% más magro alrededor del medio. Este apretón se llevó a cabo durante varios segundos, lo que se siente lento en comparación con la mordedura rápida de la hormiga, dijo Patek.
Una vez liberadas de sus pestillos, las mandíbulas de las hormigas se balancearon en un arco perfecto, alcanzando su velocidad máxima alrededor de 65 grados antes de comenzar a desacelerar. En su máxima velocidad, las puntas de las mandíbulas de las hormigas viajaron a unas 120 mph por el aire.
Este movimiento ultrarrápido fue suave y preciso debido a las múltiples fuerzas que actúan sobre las mandíbulas al mismo tiempo, determinó el equipo.
Por un lado, cuando la cabeza de la hormiga recuperó su forma normal, catapultó la punta de cada mandíbula al espacio. Mientras tanto, los grandes músculos dentro de la cabeza de la hormiga se relajaron y dejaron de estirar las cuerdas similares a tendones a las que estaban unidos. A medida que cada cuerda volvía a su longitud normal, piense en una banda elástica estirada que se suelta repentinamente, tiró del extremo de la mandíbula que se encuentra dentro de la cabeza de la hormiga. Fue este empujón y tirón simultáneo lo que hizo que las mandíbulas de la hormiga volaran una hacia la otra.
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Un principio similar se aplica al hacer girar una botella sobre una superficie plana; el movimiento giratorio requerido para hacer girar la botella consiste en empujar un extremo de la botella hacia adelante mientras se tira del otro extremo hacia atrás. De manera similar, cuando las bailarinas realizan piruetas con la ayuda de un compañero, el compañero empujará una de sus caderas hacia adelante y tirará de la otra hacia atrás para iniciar su giro. Sin embargo, la mejor analogía para el movimiento de la mandíbula de la hormiga de mandíbula trampa podría ser el malabarismo con palos, un arte circense en el que los artistas usan dos palos para hacerlos girar en el aire.
El palo encuentra poca fricción mientras gira por el aire y, según sus modelos matemáticos, los autores del estudio creen que las mandíbulas de una hormiga trampa tampoco están restringidas. Al principio, los investigadores pensaron que cada mordaza podría girar alrededor de una articulación de pasador, similar a una puerta con una bisagra, pero determinaron que tal estructura introduciría demasiada resistencia. En cambio, descubrieron que las mandíbulas giran alrededor de una estructura articular mucho menos rígida que requiere poco refuerzo en la cabeza de la hormiga.
«El mecanismo de doble resorte reduce en gran medida las fuerzas de reacción y la fricción en esta articulación, por lo que la articulación no necesita mucho refuerzo para mantener la mandíbula en su lugar», dijo el coautor del estudio, Gregory Sutton, investigador de la Royal Society. Universidad. Universidad de Lincoln en Inglaterra, dijo Live Science en un correo electrónico. La falta de fricción en este sistema puede explicar cómo las hormigas trampa pueden atacar una y otra vez sin lastimarse nunca, concluyeron los autores.
Los autores creen que todas las hormigas de mandíbula trampa en el Odontomach El género usa el mismo mecanismo de resorte para morder, pero las hormigas de mandíbula trampa de otros géneros pueden usar una estrategia ligeramente diferente, dijo Patek. Dicho esto, Patek sospecha que el mecanismo que descubrieron bien podría ser utilizado por otros artrópodos, es decir, insectos, arañas y crustáceos.
Por ejemplo, camarón mantisfamoso por lanzar puñetazos a 80 km/h, probablemente deforma sus exoesqueletos y utiliza tendones superelásticos para acumular potencia en cada puñetazo, aunque tal mecanismo aún no se ha identificado en los camarones.
“Estamos comenzando a darnos cuenta de que esa será la regla general para estos artrópodos súper rápidos”, dijo Patek.
Publicado originalmente en Live Science.
