3D-модели помогли изучить биомеханику невероятной силы муравьёв

Исследование биомеханики шеи муравья — насекомого, способного поднимать предметы во много раз тяжелее собственного тела — может раскрыть одну из загадок природы и открыть путь к усовершенствованию робототехники.

Инженеры из Университета штата Огайо объединили лабораторные испытания и компьютерное моделирование, проведённое в Ohio Supercomputer Center, чтобы определить взаимосвязь между механической функцией, структурным дизайном и свойствами материала шеи муравья Formica exsectoides. Результаты опубликованы в Journal of Biomechanics.

Исследование сфокусировалось на шее муравья — единственном суставе из мягкой ткани, соединяющем жёсткий экзоскелет головы и груди. При переноске груза шея выдерживает весь его вес.

Чтобы понять пределы прочности шеи, исследователи создали её 3D-модель, обработав микро-КТ-снимки в программе ScanIPþFE. Модель из более чем 6.5 миллионов элементов была загружена в программу конечных элементов Abaqus, а данные обрабатывались на мощном кластере Oakley (8300 ядер Intel Xeon).

Эксперименты с центрифугой показали, что сустав шеи может выдерживать нагрузки примерно в 5000 раз больше веса тела муравья. Максимальная прочность достигается, когда голова направлена прямо, а не повёрнута в сторону.

Моделирование подтвердило эти результаты и показало, что критическая точка разрушения находится на переходе от мягкой мембраны к твёрдому экзоскелету (шея–голова). Уникальный интерфейс между твёрдым и мягким материалом, вероятно, усиливает адгезию и является ключевой конструктивной особенностью, обеспечивающей высокую грузоподъёмность.

Это исследование структуры и функции экзоскелета может внести вклад в создание ультралёгкой робототехники и вспомогательных устройств для человека.