Насекомые научились использовать шестерни задолго до человека
Зубчатая передача, которую считают изобретением человека, давно освоена в животном мире. Микроскопические шестерни позволяют насекомым прыгать по прямой.
Разрабатывая технические конструкции, ученые порой заимствуют у природы решения, созданные в ходе эволюции у животных или растений миллионы лет назад. Так, шарнирное соединение было сначала замечено сначала у животных, а затем стало применяться в технике. Так же поступают инженеры, создавая миниатюрных летающих роботов, наблюдая за движением крыльев у насекомых.
Но порой и то, что считается результатом сугубо человеческой инженерной мысли, оказывается давно воплощенным природой в живых организмах. Так было с винтовым соединением, принцип работы которого реализован в структуре конечностей жука Trigonopterus oblongus, что было обнаружено два года назад.
То, как устроен «привод» задних конечностей мелких прыгающих насекомых иссид, ученые назвали «первым наблюдением механической зубчатой передачи в биологической структуре».
Наблюдая за прыжками личинок этих насекомых, которые обитают на деревьях по всей Европе, биологи задумались, как животным удается двигать задними конечностями почти одновременно? Скоростная видеосъемка показала, что обе ноги начинают движение синхронно, с рассогласованием менее чем в одну микросекунду.
По словам ученых, такую синхронность невозможно обеспечить путем нервных импульсов, длительность которых составляет не менее одной миллисекунды.
Присмотревшись в микроскоп внимательнее, энтомологи увидели техническое решение, давно применяемое в приводе велосипедов и без которого немыслима коробка передач любого современного автомобиля и множество других устройств, где вращательный момент передается от одного вала к другому.
Оказалось, что верхняя часть вертлуга — сегмента задней конечности иссиды — имеет от 10 до 12 зубьев, которые входят в зацепление с аналогичной частью на соседней ноге.
Чтобы совершить большой прыжок, насекомое вводит в зацепление зубья одной ноги с ответной частью другой и распрямляет конечности с минимальным рассогласованием по времени.
«Точную синхронизацию было бы невозможно достичь благодаря нервной системе, так как импульсы идут слишком долго для требуемой координации движений», — говорит Барроуз.
«Используя механические шестерни, насекомое может послать нервные импульсы, чтобы создавать примерно равное усилие: когда одна нога начинает движение, шестеренки зацепляются, обеспечивая абсолютную синхронность. У этих насекомых скелет используется для решения задач, с которыми нервная система и мозг не справятся. Мы привыкли думать, что шестерни — это то, что мы можем видеть в созданных человеком машинах. Однако мы выяснили, что раньше мы просто плохо искали», — добавил Грегори Саттон, соавтор исследования, работающий в Университете Бристоля.
Интересно, что шестерни наблюдаются только у нимф насекомых, они исчезают, когда иссиды превращаются во взрослую особь. Главная проблема зубчатых передач в технике заключается в том, что при поломке одного зуба эффективность всего механизма падает.
Ученые выяснили, что зубья шестерней обновляются при каждой линьке и исчезают после последней.
В отличие от самых распространенных в технике круглых шестерней, зубчатые участки ног иссид имеют изогнутую форму с увеличенной кривизной вблизи места соединения. Размер этих шестерней — порядка 400 микрон. По этому параметру они оставляют далеко позади все созданные до этого человеческими руками зубчатые передачи.
Разрабатывая технические конструкции, ученые порой заимствуют у природы решения, созданные в ходе эволюции у животных или растений миллионы лет назад. Так, шарнирное соединение было сначала замечено сначала у животных, а затем стало применяться в технике. Так же поступают инженеры, создавая миниатюрных летающих роботов, наблюдая за движением крыльев у насекомых.
Но порой и то, что считается результатом сугубо человеческой инженерной мысли, оказывается давно воплощенным природой в живых организмах. Так было с винтовым соединением, принцип работы которого реализован в структуре конечностей жука Trigonopterus oblongus, что было обнаружено два года назад.
В статье, опубликованной в журнале Science, ученые под руководством Малкольма Барроуза с факультета зоологии Кембриджского университета, доказали:
То, как устроен «привод» задних конечностей мелких прыгающих насекомых иссид, ученые назвали «первым наблюдением механической зубчатой передачи в биологической структуре».
Наблюдая за прыжками личинок этих насекомых, которые обитают на деревьях по всей Европе, биологи задумались, как животным удается двигать задними конечностями почти одновременно? Скоростная видеосъемка показала, что обе ноги начинают движение синхронно, с рассогласованием менее чем в одну микросекунду.
По словам ученых, такую синхронность невозможно обеспечить путем нервных импульсов, длительность которых составляет не менее одной миллисекунды.
Присмотревшись в микроскоп внимательнее, энтомологи увидели техническое решение, давно применяемое в приводе велосипедов и без которого немыслима коробка передач любого современного автомобиля и множество других устройств, где вращательный момент передается от одного вала к другому.
Оказалось, что верхняя часть вертлуга — сегмента задней конечности иссиды — имеет от 10 до 12 зубьев, которые входят в зацепление с аналогичной частью на соседней ноге.
Чтобы совершить большой прыжок, насекомое вводит в зацепление зубья одной ноги с ответной частью другой и распрямляет конечности с минимальным рассогласованием по времени.
«Точную синхронизацию было бы невозможно достичь благодаря нервной системе, так как импульсы идут слишком долго для требуемой координации движений», — говорит Барроуз.
«Используя механические шестерни, насекомое может послать нервные импульсы, чтобы создавать примерно равное усилие: когда одна нога начинает движение, шестеренки зацепляются, обеспечивая абсолютную синхронность. У этих насекомых скелет используется для решения задач, с которыми нервная система и мозг не справятся. Мы привыкли думать, что шестерни — это то, что мы можем видеть в созданных человеком машинах. Однако мы выяснили, что раньше мы просто плохо искали», — добавил Грегори Саттон, соавтор исследования, работающий в Университете Бристоля.
Интересно, что шестерни наблюдаются только у нимф насекомых, они исчезают, когда иссиды превращаются во взрослую особь. Главная проблема зубчатых передач в технике заключается в том, что при поломке одного зуба эффективность всего механизма падает.
Ученые выяснили, что зубья шестерней обновляются при каждой линьке и исчезают после последней.
В отличие от самых распространенных в технике круглых шестерней, зубчатые участки ног иссид имеют изогнутую форму с увеличенной кривизной вблизи места соединения. Размер этих шестерней — порядка 400 микрон. По этому параметру они оставляют далеко позади все созданные до этого человеческими руками зубчатые передачи.
Комментариев нет:
Отправить комментарий