Исследование гигантских голов муравьев с помощью простых моделей может помочь биоинспирированному дизайну

Новое исследование, использующее базовую биомеханическую модель для изучения формы тела и стабильности центра масс у муравьев, выявляет преимущества «простых моделей». Ученые надеются, что этот подход можно будет использовать для биоинспирированного дизайна.

«Большинство организмов ограничены в своей форме и размере, поскольку им приходится балансировать между разными потребностями, такими как способность летать, добывать пищу и размножаться», — сказал Эндрю Суарес, профессор энтомологии.

«Муравьи уникальны, потому что живут в колониях и разделяют обязанности. Следовательно, у них нет тех ограничений тела, которые есть у других насекомых». «У муравьев очень широкий диапазон размеров головы относительно тела, — сказал Филип Андерсон. — У некоторых муравьев головы настолько огромны, что, хотя кажется, будто они должны опрокинуться вперед, этого не происходит. Чтобы изучить их конструкцию, я создал простую математическую модель для определения центра баланса».

Исследователи создали базовую модель тела муравья, представив его как серию соединенных эллипсоидов. Они использовали измерения тел муравьев с сайта antweb.org, где собрана коллекция фотографий Калифорнийской академии наук.

Исследование «“Простая” биомеханическая модель для муравьев показывает, как коррелированная эволюция сегментов тела минимизирует вариацию центра масс при увеличении головы» было опубликовано в журнале Integrative and Comparative Biology.

«Мы обнаружили, что муравьи поддерживают центр баланса над местом, где находятся их ноги, — сказал Андерсон. — Эти модели помогли нам понять, как эволюционировали эти необычные формы муравьев и как остальная часть их тела компенсирует это».

«Рабочие муравьи — как “многообещающие монстры”. Они могут экспериментировать со своей формой тела и демонстрировать больше вариаций, чем другие насекомые. С помощью этих моделей мы видим, что, несмотря на преувеличенные формы, они не нарушают законы физики», — сказал Суарес.

Хотя исследователи стремились максимально упростить модель, у нее есть ограничения. «Представление тел муравьев в виде эллипсоидов не точно отражает их реальную форму, — сказал Андерсон. — Кроме того, я предполагаю, что каждая часть тела имеет одинаковую плотность, но наш соавтор Майкл Ривера показал, что голова намного плотнее брюшка, что меняет расчеты».

Исследователи надеются, что такие простые модели можно будет использовать для приложений, применяющих биоинспирированный дизайн. «Что произойдет, если вам нужно добавить вес к передней части машины? Достаточно ли добавить вес сзади или есть другие способы компенсации? Используя такие модели, мы можем искать решения этих проблем в природе», — сказал Суарес.