Как муравьи передвигаются? Сверхчувствительные приборы измеряют каждый их шаг

Немецкие ученые создали устройство, которое помогает понять, как муравьи ловко перемещаются, координируя три пары ног и заднюю часть тела, составляющую до 60% их массы.

Измерение усилий, создаваемых отдельными конечностями, важно для понимания энергетики передвижения животных. Однако для очень мелких животных, таких как насекомые, это проблематично. Доктор Рейнхардт (Университет Фридриха Шиллера) использовал эластичный поликарбонатный материал для создания миниатюрной силовой платформы. Пружины, расположенные под прямым углом друг к другу, позволили измерять силы на платформе в диапазоне микроньютонов (µN).

Муравьи (Formica polyctena) ходят, используя систему "чередующихся трипод": передняя и задняя ноги с одной стороны и средняя нога с другой стороны движутся вместе за один шаг. Однако было неизвестно, используется ли другая походка для более быстрого бега. Муравьев заставляли перемещаться по дорожке, построенной поверх силовой платформы, оборудованной высокоскоростной камерой для записи последовательности движений. Исследователи обнаружили, что базовая походка с чередующимися триподами не меняется на более высоких скоростях; вместо этого муравьи увеличивают длину шага и количество шагов. Муравьи, по-видимому, используют стратегию, известную как "бег с опорой" ("grounded running"): они достигают более высоких скоростей без "фазы полета", когда все суставы теряют контакт с землей. Это повышает устойчивость, удерживая центр масс низко, снижает риск падения и помогает муравьям быстро поворачиваться и перемещаться по неровной местности.

Устройство также использовали для исследования муравьев, перемещающихся по вертикальной поверхности. "При движении по горизонтали типичная вертикальная сила ноги муравья составляет около 70 µN", — описал доктор Рейнхардт. "В случае вертикального лазания ситуация иная. Передние ноги генерируют силы, равные массе тела — около 20 мг. Мы ожидаем, что животные могут генерировать еще большие силы, например, при переносе пищи или во время драк".

Силовая платформа была построена с использованием технологии стереолитографии. В ней используется специальный фотополимеризующийся полимер, который затвердевает под воздействием ультрафиолетового света. Резервуар заполняется жидким полимером, и УФ-лазер сканирует его, создавая структуру слой за слоем. Поскольку лазер можно настроить на отслеживание любого дизайна, эту технологию можно использовать в множестве приложений. "Наше измерительное устройство может применяться далеко за пределами области биомеханики насекомых", — заявил доктор Рейнхардт. "Например, силовая платформа может оказаться бесценной для проектирования и тестирования микророботов".

Эта работа будет представлена на ежегодном собрании Общества экспериментальной биологии (Society for Experimental Biology Annual Meeting) 2014 года в Манчестере в среду, 2 июля.