Diese Ameisen springen mit ihren Kiefern



Leistungsstarke Kiefer spielen in wissenschaftlichen Artikeln und Dokumentationen eine so herausragende Rolle, dass Deskriptoren wie „Bone Crunching“ oder „Lightning Fast“ kaum noch eine Rolle spielen. Mittlerweile sind wir alle mit der beeindruckenden Rüstungspalette des Tierreichs vertraut, und Kiefer gehören zu den am häufigsten verwendeten Werkzeugen, um Beute zu fangen und sich selbst zu verteidigen.

Unter den verschiedensten Charakteren mit bedrohlichen Mundteilen finden sich Fallenmaulameisen (Odontomachus sp.), obwohl winzig, sind an sich schon beeindruckend. Mit Kiefern, die sich um volle 180 Grad öffnen und eine Strecke zurücklegen, die deutlich größer ist als ihre Köpfe, können die Ameisen mit einer atemberaubenden Geschwindigkeit von 225 Kilometern pro Stunde und der 300-fachen Kraft des Eigengewichts der Insekten zuschlagen. Zusätzlich zu den herkömmlicheren Funktionen, die Kiefer bei anderen Tieren ausführen, setzen Kieferameisen ihre auf eine wirklich neuartige Weise ein: Fortbewegung.

"Lens of Time: Jaw Jumpers" wurde erstmals auf © 2019 California Academy of Science veröffentlicht.

Video produziert von

Vollständiges Transkript:

Sheila Patek: Falle-Kieferameisen sind Ameisen, die ihre Kiefer benutzen, um Opfer zu fangen, um andere Ameisen zu bekämpfen und sich in das zu werfen
Luft springt buchstäblich mit den Kiefern.

Mit Kiefern zu springen ist in der Biologie sicher keine normale Sache. Ich kann mir nichts anderes vorstellen, das mit den Kiefern hüpft.

Die Ameisen müssen Energie in ihrem Kopf oder einer anderen elastischen Struktur speichern und diese Energie dann abgeben, wenn sie den Riegel loslassen und die Backen zuschlagen.

Fallenmaulameisen erzeugen die höchste Beschleunigung, die jemals bei einem Tier dieser Größe gemessen wurde. Fallenkieferameisen beschleunigen ihre Kiefer um eine Größenordnung mehr als eine Kugel in einer Waffe.

Ich arbeite direkt an der Schnittstelle von Physik und Evolution auf dem Gebiet der Biomechanik. Ein großer Schwerpunkt meiner Laborforschung liegt derzeit auf Systemen, die eine Leistungsverstärkung verwenden. Dies bedeutet, dass sie die Bewegungen mit Federn ausführen und Riegel verwenden, um sehr kraftvolle Bewegungen zu erzeugen.

Wir haben Fallbackenameisen mit über hunderttausend Bildern pro Sekunde gefilmt.

In der normalen täglichen Zeit ist die Ameise auf dem Boden und dann kann man sie nicht finden. Aber als Sie ein Hochgeschwindigkeitsvideo darauf legten, war das Ergebnis, dass diese Ameise ihren Kopf langsam auf den Boden legte. Und das nächste, was Sie wissen, ist eine Ameise, die sich langsam durch die Luft dreht, und die unwahrscheinlichste Parabel der Bewegung.

Auf einer Ebene kann ich Ihnen sagen, wie sie das können. Auf einer anderen Ebene kann ich sagen, dass wir das noch nicht wirklich verstehen.

Zeynep Temel ist Maschinenbauingenieur. Sie arbeitet an der Herstellung und den Prinzipien der Technik und geht die Grenzen häufig mit Blick auf die Biologie.

Zeynep Temel: Wir arbeiten seit etwas mehr als zwei Jahren zusammen. Das ultimative Ziel ist es, das Verhalten der Fallenmaulameisen besser zu verstehen. Als Ingenieur interessiert mich jedoch, ob ich diese Bewegung in potenziellen Anwendungen einsetzen kann.

Mikroroboter stoßen während ihrer Bewegung auf viele Hindernisse, so dass das Springen eine sehr gute Möglichkeit ist, die zu überwinden
Hindernisse vor allem, wenn sie stecken bleiben.

Im Moment haben wir einen Prototyp, der von den Fallenmaulameisen inspiriert ist. Und als ich anfing, den synthetischen Ameisenkopf zu entwerfen, verwendete ich sowohl CT-Scans als auch Videobilder von Patek Lab.

Um so kleine Roboter herzustellen, können wir keine Gruppen verwenden, wir können keine Schrauben verwenden, wir können keine Muttern, Bolzen … sie kommen alle nicht in Frage, weil sie alle für den Maßstab unserer Roboter sehr groß sind.

Um dieses Problem zu lösen, verwenden wir Origami-inspirierte Falttechniken zur Herstellung unserer Roboter. Man muss geduldig sein und stählerne Hände haben, um es zusammenzubauen.

In meinem Mechanismus habe ich zwei Mandibeln, die auf dem Riegel sitzen. Wenn ich anfange, Wärme aufzubringen, drehen sich die Mandibeln und üben eine Kraft auf die Klinke aus, und die Klinke kann Mandibeln nur bis zu einem bestimmten Punkt halten.

Temel: Ja.

Patek: Das kleine Ding da ist ein Riegel?

Temel: Ja, da.

Patek: Das ist verrückt.

Temel: Es ist sehr klein. Es ist ein bisschen schwierig, es hinein zu setzen.

Patek: Als Zeynep hereinkam und die Morphologie der Fallenkieferameisen betrachtete, wies sie auf Dinge hin, die für sie keinen Sinn ergaben und an die wir nicht einmal an seine Biologen gedacht hatten.

Zeynep hat sehr lange gearbeitet, um ein physikalisches Modell zu bauen, das mit dem übereinstimmt, was in der Literatur darüber steht, wie der Riegel bei Ameisen funktioniert, und das sie nicht konnte. Es hat einfach nicht richtig funktioniert. Also ging sie und benutzte einen anderen Riegel in ihrem Modell.

Wir stellen fest, dass wir das vielleicht die ganze Zeit falsch verstanden haben, und tatsächlich funktionieren die Riegel- und Fallenmaulameisen wahrscheinlich viel besser als die, von denen sie wusste, dass sie in diesem Fall funktionieren würden.

Eine unserer Grundfragen ist, ob dies ein effizienter Weg zum Springen ist.

Wir arbeiten sehr hart daran herauszufinden, wie elastische Energie im Kopf gespeichert und freigesetzt wird.

Das Modell von Zeynep bietet eine phänomenale Sichtweise auf die Energielieferung an das System.

Wir waren so darauf konzentriert, dass sich die Kiefer schlossen und diese außergewöhnliche Bewegung filmten, dass wir nie daran gedacht hätten, auf den Kopf zu schauen. Wir begannen zu begreifen, dass irgendwo eine Quelle sein musste.

Wir mussten einfach den Drehort wechseln und die Bildrate verringern. Plötzlich tauchte diese verrückte Bewegung auf.

Die gesamten Seiten des Kopfes der Ameise quetschen ein.

Wir blasen die Ameise im Grunde oder tun etwas, um sie zum Laden ihrer Kiefer anzuregen, und dann sehen Sie, wie sich der Kopf gerade beugt.

Abgesehen davon, dass wir uns im ganzen Kopf verbeugen, weil es kürzer wird, wenn es sich biegt, und dann können wir diese Bewegung messen und
Messen Sie die Formänderungen und lernen Sie dreidimensionale Federn kennen.

Wir denken normalerweise nicht an eine dreidimensionale Geometrie, in der elastische Energie gespeichert wird.

Ja, man kann wirklich sehen, wie sie die Seiten ihres Kopfes zusammengedrückt hat und die Oberseite ihres Kopfes …

Die Fallenmaulameisen geben uns Einblicke in unterschiedlichste Gestaltungsprinzipien zur Speicherung elastischer Energie.

Was ich an dieser Zusammenarbeit als einzigartig empfinde, ist, wie eng wir zusammenarbeiten. Es ist eine sehr reiche und enge Verbindung zwischen Biologie und Ingenieurwesen.

Temel: Es gibt Dinge, die wir mit echten Tieren nicht machen können. Wir können die Mandibeln nicht wirklich von den Fallenmaulameisen abschneiden, so dass sie kürzere Mandibeln haben und sehen, was passiert.

Aber wir können dies mit unseren Robotern tun und wir können lernen, dass Fallbackenameisen die Unterkiefer in dieser Größe oder Form haben oder wie viel Energie wir benötigen, um zum Beispiel eine bestimmte Sprunghöhe auszuführen.

Patek: Das sind also die Dinge, die wir lernen können, indem wir unsere bioinspirierten Mechanismen untersuchen.

Es gibt ein breiteres Stück davon, nämlich die Freude und den Wert des Wissens.

Bei dieser Art von Arbeit geht es buchstäblich um Technologie, aber es geht auch um die Freude, selbst ein biologisches System zu sein.

Den Planeten verstehen, auf dem wir leben.

Da gibt es einen solchen Wert in genau dem.