Исключительный катапультирующий механизм прыжка у крошечного жука может быть применён в роботизированных конечностях

Захватывающий и высокоэффективный прыжковый механизм у земляных блошек (листоедов подсемейства козявок) описан в новой статье в открытом журнале Zookeys. Несмотря на известность с 1929 года, взрывной прыжок — причина разговорного названия этой группы жуков — до сих пор не был полностью изучен.

Международная команда учёных из Китая и США под руководством докторов Синке Яна, Сицинь Ге и Юнъин Жуань из Китайской академии наук и доктора Александра Константинова из Службы сельскохозяйственных исследований Министерства сельского хозяйства США проверила существующие теории, используя микро-компьютерную томографию (микро-КТ сканирование), 3D-реконструкции, высокоскоростную съёмку и препарирование. Эксперименты позволили получить всестороннее представление о механике впечатляющего прыжка и впервые описать роль структуры в ногах насекомых, известной как «упругая пластинка».

Земляные блошки (триба Alticini) — фитофаги, принадлежащие к сверхразнообразной группе из около 9900 видов, обитающих по всему миру: от низменных тропических лесов до высокогорных лугов и пустынь. Большинство из них живёт, питается и размножается на верхней поверхности листьев растений-хозяев, что делает их особенно уязвимыми для хищников, включая птиц, муравьёв и пауков. Один из механизмов защиты — невероятная прыгучесть, позволяющая жукам мгновенно ускользать от приближающегося хищника.

Аппарат, ответственный за этот исключительный прыжок, скрыт в задних ногах жука и относительно прост. Он содержит всего три склеротизированные части и несколько мышц. Однако на деле это высокоэффективная «катапульта», способная отбросить жука на расстояние, в сотни раз превышающее длину его тела. Используя микро-КТ, 3D-реконструкции и данные высокоскоростной съёмки, учёные выяснили, что ускорение во время прыжка может достигать взрывного пика в 8 650 м/с², что в 865 раз превышает ускорение свободного падения. Пиковая мощность задних ног жука достигала 2,24 × 10⁵ Вт/кг (на единицу массы). Это примерно в 450 раз больше возможностей самой быстрой известной мышцы и в 100–200 раз больше мощности мощного двигателя раллийного автомобиля.

3D-реконструкции выявили два процесса внутри задней ноги, которые усиливают выходную мощность мышц жука и снижают потери энергии.

1. Накопление энергии: Мышцы-разгибатели и мышцы-сгибатели голени сокращаются одновременно и кумулятивно накапливают энергию упругой деформации внутри бедра (самого длинного сегмента ноги насекомого). Энергия запасается в склеротизированной структуре, называемой пружиной бедра.
2. Спусковой механизм: Две другие структуры внутри ноги, ранее известные как «треугольная пластинка» и «упругая пластинка», действуют вместе как спусковой механизм катапульты. Когда он высвобождается, пружина бедра сокращается и преобразует упругую потенциальную энергию в кинетическую, что позволяет жуку достичь чрезвычайно высокого ускорения.

Вместо постепенного ускорения на протяжении всего прыжка земляная блошка использует «высокоэффективный механизм» в начале, чтобы накопить колоссальную энергию деформации для последующего высвобождения.

Таким образом, жуки избегают мышечной усталости (потери энергии) и улучшают свои прыжковые способности до такой степени, что могут совершать более 30 последовательных прыжков, как зафиксировали учёные в лабораторных экспериментах. В природе этот механизм является адаптацией для быстрого исчезновения с поверхности листьев, где они обычно проводят жизнь, чтобы спастись от хищников. Именно этот «взрывной» прыжок, по мнению исследователей, является одной из ключевых черт, ответственных за высокий эволюционный успех и замечательное видовое разнообразие земляных блошек.

Учёные отмечают, что катапультирующий механизм прыжка у земляных блошек настолько эффективен и прост, что может найти отличное применение в робототехнике, а также в инженерии и промышленных установках. В своей работе они также предлагают дизайн бионической конечности, вдохновлённый изученными жуками.