当你只有睫毛那么大并且正在寻找快速移动的猎物时,将捕熊器绑在头上似乎是个好主意。
当然,在真正开始之前,这都是有趣的游戏。 即使陷阱弧线中最轻微的晃动也可能会让你的脸单向掉进你的后兜里。
幸运的是,陷阱颚蚁找到了解决这个问题的方法,使其安全地跻身动物王国中最快的捕捉者之列。
美国研究小组的一项研究对陷阱颌蚁的头部解剖结构进行了数学建模褐齿齿蝠以确定它的机械死亡之爪如何应对迫使其关闭的疯狂力量。
生物学家知道,蚂蚁的下颌骨是相对简单的弹簧驱动杠杆,每个杠杆都由一个闩锁锁定到位,一旦猎物挠到一触即发的胡须,闩锁就会释放。
闩锁介导的弹簧致动(LaMSA)在微小的令人毛骨悚然的爬行动物中并不罕见。 随着生物体的缩小,弹性能量的扩展效率远高于复杂的生化马达,为各种昆虫的脚步(和叮咬)提供了弹簧。
然而,好事太多了:即使是一个微小的 LaMSA 所能聚集的力量也有可能压倒将其结合在一起的材料。
采取德古拉蚂蚁(骆驼之谜) 例如。 能够将口部摆动关闭时速约 320 公里(198 英里),它是自然界中运动最快的身体部位。
布鲁尼乌斯虽然速度没有那么快,但它确实值得获得银牌,因为它的时速同样令人印象深刻,为 196 公里。 为了实现这一目标,它以相当于 470,000 转/分的速度旋转每个下颌,轻轻一碰就会切开空气,在几微秒内抓住猎物。
令人惊讶的是,这些颚还能够进行最温和的操作,以极大的灵活性携带幼苗和其他材料。
从拳击手到下一刻的外科医生,咀嚼者需要一些极其精密的机械,这促使研究人员高速拍摄蚂蚁,以便更好地了解在那一瞬间的运动中发生了什么。
“当我们以慢动作回放视频时,他们的攻击非常精确,”说杜克大学生物学家希拉·帕泰克。
他们发现每个下颌在前 65 度内都保持完美的弧度,然后在摆动结束时减速。 当下颌骨闭合时,蚂蚁的头部被拉变形,缩短了 3% 多一点,缩小了约 6%。
“我们意识到整个头部正在变形以存储弹性势能,”说百达翡丽。
这些数据为一组生物力学模型提供了信息,这些模型有助于显示一半挥杆的能量来自外骨骼本身的扭曲。 另一半则由埋在头部深处的一块巨大肌肉拉紧的肌腱提供。
这些肌肉固定在蚂蚁头部的内部,将每个下颌骨向后固定,随时准备弹出。 一旦有东西触发扳机,闩锁就会升起,肌腱中存储的能量会将下颌骨的枢轴端向后拉,从而快速发射尖端。
与此同时,蚂蚁变形的头部迅速恢复原状,推动下颌前部以提供额外的力量。
每个动作? 收缩肌腱的拉力和放松的外骨骼的推动力? 不仅提供速度,还以均匀耗散能量所需的精度引导下颌,从而减少发生严重故障的可能性。
这是双作用弹簧的巧妙运用,如果在其他昆虫中发现这种现象,研究人员也不会感到惊讶。 未来的研究可能有助于揭示快速而精确的运动是多么普遍。
这些知识可以在我们的工程中发挥作用,为需要在速度和精度之间取得适当平衡的技术提供一些方便的设计功能。
更不用说作为一个警告,说明为什么在脸上戴捕熊夹确实是一个坏主意。
这项研究发表在实验生物学杂志。