Команда китайских и американских ученых протестировали существующие теории механизма прыжков у земляных блошек с использованием микрокомпьютерной томографии, 3D-реконструкций, высокоскоростной съемки и диссекции (анатомическое исследование трупов животных).
Исключительный механизм катапультирования блошек может быть применен в конечностях роботов
Жуки блошки из семейства жуков листоедов относятся к гипердиверсальной группе из примерно 9900 видов и встречаются в различных средах по всему миру: от тропических лесов до высокогорных лугов и пустынь. Большинство из них живут, питаются и размножаются на верхней поверхности листьев растений-хозяев, что делает их особенно уязвимыми для хищников, включая птиц, муравьев и пауков. Один из их защитных механизмов – их невероятные навыки прыжков, которые позволяют жукам убежать от приближающегося хищника в одно мгновение.
Аппарат, ответственный за этот исключительный прыжок, спрятан в задних лапах жука и относительно прост. Он содержит только три склеротизированные части и несколько мышц. Тем не менее, на самом деле это высокоэффективная «катапульта», способная перемещать жука на расстояние, в сотни раз превышающее его длину тела. Используя микрокомпьютерную томографию, 3D-реконструкции и данные высокоскоростной съемки, ученые обнаружили, что ускорение во время прыжка может достигать взрывного пика в 8650 м / с2, что в 865 раз превышает ускорение силы тяжести. Пиковая выходная мощность задних лапок жука достигла максимума при 2,24 × 105 Вт / кг (на единицу массы). Это примерно в 450 раз больше, чем у самых быстрых из известных мышц, и в 100-200 раз – у мощного двигателя раллийного автомобиля.
Трехмерные реконструкции выявили два процесса внутри задней лапы, которые усиливают выходную мощность мышц жука и сокращают потери энергии.
Во-первых, мышцы-разгибатели большеберцовой кости и мышцы-сгибатели большеберцовой кости сокращаются одновременно и накапливают энергию упругой деформации внутри бедренной кости (самый длинный сегмент ноги насекомого). Энергия накапливается в склеротизованной структуре, называемой метафеморальной пружиной, в то время как еще две структуры внутри ноги, ранее известные как «треугольная пластина» и «упругая пластина», действуют вместе как триггер для механизма катапульты.
Когда спусковой механизм отпущен, метафеморальная пружина сжимается и преобразует упругую потенциальную энергию в кинетическую энергию, которая позволяет жуку достичь необычайно высокого ускорения. Вместо постепенного ускорения на протяжении всего прыжка, блошиный жук использует «высокоэффективный механизм» в начале, чтобы сохранить колоссальную энергию деформации, которая будет выпущена позже.
Таким образом, блохи избегают мышечной усталости (потери энергии) и улучшают свои прыжковые характеристики до такой степени, что они могут совершать более 30 последовательных прыжков, что было зафиксировано учеными в их лабораторных экспериментах. В природе этот механизм представляет собой приспособление для насекомых избегать хищников, быстро исчезая с поверхности листьев, где они обычно проводят свою жизнь. Фактически, именно этот «взрывной» прыжок, по мнению исследователей, является одним из ключевых признаков, ответственных за высокий эволюционный успех и замечательное разнообразие видов у блох.
В заключение ученые отмечают, что механизм катапультирования прыжков у блошных жуков настолько эффективен и, тем не менее, настолько прост, что может найти отличное применение в робототехнике, а также в инженерных и промышленных установках. В своей исследовательской работе они также предлагают дизайн бионической конечности, вдохновленной изученными жуками.