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Moviéndose miles de veces más rápido que un abrir y cerrar de ojos, las mandíbulas cargadas por resorte de la hormiga trampa atrapan a los insectos por sorpresa y también pueden lanzar a la hormiga al aire si dirige a sus viajeros al suelo. Ahora, los científicos han descubierto cómo las mandíbulas de una hormiga pueden cerrarse a una velocidad vertiginosa sin romperse por la fuerza.
En un nuevo estudio publicado el jueves (21 de julio). Revista de Biología Experimental (se abre en una pestaña nueva)Un equipo de biólogos e ingenieros estudió una especie de hormigas de mandíbula trampa llamada Odontomachus brunneus, nativo de partes de los Estados Unidos, América Central y las Indias Occidentales. Para reunir el poder de sus picaduras ultrarrápidas, las hormigas primero extienden sus mandíbulas para que formen un ángulo de 180 grados y «chasquean» los pestillos dentro de sus cabezas. Enormes músculos unidos a cada mandíbula por un cordón similar a un tendón tiran de las mandíbulas en su lugar y luego se flexionan, creando una reserva de energía elástica; El equipo descubrió que esta flexión es tan extrema que desvía los costados de las cabezas de las hormigas, lo que hace que se inclinen hacia adentro. Cuando una hormiga ataca, sus mandíbulas se sueltan y esta energía almacenada se libera de inmediato, rompiendo las mandíbulas.
Los investigadores estudiaron en detalle este mecanismo accionado por resorte, pero los ingenieros del proyecto no sabían cómo podría funcionar el sistema sin causar demasiada fricción. La fricción no solo ralentizará las mordazas, sino que también provocará un desgaste destructivo en cada punto de pivote de la mordaza. Usando modelos matemáticos, finalmente encontraron la respuesta a cómo las hormigas cazadoras evitan este problema.
«Esta es la parte que más entusiasma a los ingenieros», en parte porque el descubrimiento podría allanar el camino para la construcción de pequeños robots que pueden hacer girar piezas con una velocidad y precisión incomparables. Durham, Carolina del Norte, y el autor principal del estudio le dijeron a WordsSideKick.com.
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Sistema accionado por resorte casi sin fricción
Explora las increíbles mandíbulas brunneusPatek y sus colegas recolectaron hormigas de una colonia encontrada en los matorrales cerca de Lake Placid, Florida. Mientras aún estaba en el laboratorio, el equipo diseccionó algunas de las hormigas y tomó medidas detalladas y micro-tomografías computarizadas de sus partes del cuerpo, particularmente sus mandíbulas y músculos de la cabeza y exoesqueleto. Más tarde, conectaron estas medidas con sus modelos matemáticos de los movimientos de las hormigas.
Además, el equipo colocó varias hormigas frente a una cámara de alta velocidad que capturó imágenes a 300 000 fotogramas por segundo. (A modo de comparación, el video generalmente se graba a 24 a 30 cuadros por segundo). Estos videos mostraron que cuando las hormigas estaban a punto de atacar, el exoesqueleto que cubría su cabeza sufrió una compresión significativa, se acortó en aproximadamente un 3% en longitud y aumentó de tamaño. alrededor del 6% más delgado alrededor del medio. Esta compresión ocurrió en cuestión de segundos, lo que parece lento en comparación con el rápido mordisco de una hormiga, dijo Patek.
Después de soltarse de sus pestillos, las mandíbulas de la hormiga trazaron un arco perfecto, alcanzando su límite de velocidad máxima de 65 grados antes de comenzar a disminuir la velocidad. En su máxima velocidad, las puntas de las mandíbulas de las hormigas viajaban por el aire a aproximadamente 195 km/h (120 mph).
El equipo determinó que este movimiento de alta velocidad se producía de forma suave y precisa mediante múltiples fuerzas que actuaban simultáneamente sobre las mandíbulas.
Uno, cuando la cabeza de la hormiga volvió a su forma normal, arrojó la punta de cada mandíbula al espacio. Mientras tanto, los grandes músculos de la cabeza de la hormiga se debilitaron y dejaron de estirar los cables parecidos a tendones a los que estaban unidos. A medida que cada cuerda se asienta en su longitud normal, piense en una banda elástica estirada que se suelta repentinamente mientras se dobla sobre la punta de la mandíbula que se encuentra dentro de la cabeza de la hormiga. Es este empuje y tirón simultáneo lo que hace que las mandíbulas de la hormiga vuelen una hacia la otra.
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Un principio similar se aplica cuando haces rodar una botella sobre una superficie plana; El movimiento giratorio requerido para hacer girar la botella implica empujar un extremo de la botella hacia adelante y tirar hacia atrás del otro extremo. De manera similar, cuando las bailarinas realizan piruetas con el apoyo de un compañero, el compañero empuja una de sus caderas hacia adelante y tira de la otra hacia atrás para iniciar su giro. Sin embargo, la mejor analogía para el movimiento de la mandíbula de la hormiga trampa podría ser el malabarismo con palos, un arte circense en el que los artistas usan dos palos para balancear un bate en el aire.
La estafa experimenta poca fricción mientras gira por el aire y, según sus modelos matemáticos, los autores del estudio creen que las mandíbulas de las hormigas trampa también están relajadas. Al principio, los investigadores pensaron que cada mordaza podría girar alrededor de un eslabón, similar a una puerta sobre una bisagra, pero decidieron que tal estructura presentaría demasiada resistencia. En cambio, descubrieron que las mandíbulas giran alrededor de una estructura articular mucho menos rígida que requiere menos fijación en la cabeza de la hormiga.
«El mecanismo de doble resorte reduce drásticamente 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 University. La Universidad de Lincoln en Inglaterra le dijo a WordsSideKick.com en un correo electrónico. La falta de contacto en este sistema puede explicar cómo las hormigas trampa pueden atacar una y otra vez sin hacerse daño, concluyeron los autores.
Los autores creen que todas las hormigas de mandíbula trampa Odontomacos 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 podría ser utilizado por otros artrópodos, como insectos, arañas y crustáceos.
Por ejemplo, camarón mantisconocido por golpear a velocidades de hasta 50 mph (80 km/h), probablemente flexione sus exoesqueletos y use tendones hiperextensibles para acumular fuerza para cada golpe, aunque tal mecanismo aún no se ha identificado en un cangrejo.
«Estamos empezando a comprender que esta será la regla general para estos artrópodos ultrarrápidos», dijo Patek.
Publicado originalmente en Live Science.
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