Рак-богомол може бити із силою кулі — і тепер вчені з'ясували чому

Маленькі раки-богомоли полюють на своїх жертв, пробиваючи їх мушлі спеціальними грудними придатками. Вони не дуже сильні, проте еволюція забезпечила цих істот ударним механізмом, що розвиває швидкість до 23 м/с. Кінетична енергія, що виділяється при цьому, порівнянна з енергією кулі 22-го калібру, що неймовірно потужно для таких невеликих тварин. І нещодавно вчені розібралися, як їм це вдається.

Грудні придатки раків-богомолів за своєю конструкцією схожі на заряджений арбалет із болтом – м'язи притягують тверду ударну частину до тіла, а коли відпускають, та з силою б'є по меті. Проблема в тому, що зафіксована експериментально сила удару мала б зруйнувати самі придатки тварини, чого ніколи не відбувається. Уся справа виявилася у двошаровій структурі ударної частини придатка — і це стало відкриттям.

Його верхня частина складається з твердого матеріалу, близького до хітину або кераміки, нижня є пластичними біополімерами. Міцний верх при підготовці придатка до удару стискається, що він переносить значно краще, ніж вигини та скручування. Еластичний низ, навпаки, розтягується та реалізує свої сильні сторони. Це дозволяє всій конструкції накопичити колосальний обсяг енергії без деформації елементів. Але вчені з'ясували, що важливими є і конкретні точки докладання зусиль – комп'ютерна модель та експерименти з відтворенням ударного механізму показали, наскільки складно повторити цю систему.

У чому цінність цього відкриття? Уявіть собі аналог потужної пружини, в якому немає порожнин, тому він утричі легший і займає в десять разів менше місця, але може акумулювати той самий запас енергії. Це ключ до створення рухливих систем для мікророботів майбутнього, які зможуть обійтися без звичних шасі, стрибати дуже далеко і навіть у прямому значенні пробивати собі шлях через перешкоди.

У чому причина найпотужнішого удару раку-богомола?

Вчені давно намагаються знайти відповідь на питання, за рахунок чого у раків-богомолів такий сильний удар. Згідно з одними дослідженнями, стало зрозуміло, що тільки м'язи не можуть створювати удар такої сили. Інші дослідження висунули гіпотезу, що енергія накопичується в суглобі сідлоподібної структури, але перевірка цієї гіпотези не була можливою через те, наскільки швидко рак-богомол завдає свого удару.

Команда дослідників на чолі з Алі Місересом, вченим із Наньянського технологічного університету в Сінгарузі, вивчила удар раку-богомола за допомогою комп'ютерних технологій. Виявилося, що верхній шар так званого сідла в основному складається з біокераміки, як, наприклад, зуби або кістки, а нижній шар більшою мірою складається з волокнистих полімерів. Коли м'язи та сполучні тканини передають енергію «сідлу», верхній шар стискається, а нижній натягується, таким чином вони знаходяться у положеннях своєї максимальної сили.

Зараз Місерес та його колеги продовжують вивчати структуру «сідла» раку-богомола і навіть почали друкувати на 3D-принтері пружинні механізми, схожі на той, завдяки якому ця тварина завдає свого удару. За словами Місереса, ці знання можуть виявитися вкрай корисними для роботобудування.