Moviéndose a velocidades miles de veces más rápidas que un abrir y cerrar de ojos, las mandíbulas cargadas por resorte de una hormiga trampa atrapan a la presa del insecto por sorpresa e incluso pueden lanzar a la hormiga al aire si apunta sus masticadores hacia el suelo. Ahora, los científicos han revelado cómo las mandíbulas de la hormiga pueden cerrarse a velocidades vertiginosas sin romperse por la fuerza.
En un nuevo estudio, publicado el jueves (21 de julio) en Revista de Biología Experimental (se abre en una nueva pestaña)un equipo de biólogos e ingenieros estudió una especie de hormiga llamada trampa Odontomachus brunneus, nativo de partes de los Estados Unidos, América Central y las Indias Occidentales. Para aumentar el poder de sus picaduras ultrarrápidas, las hormigas primero alargan sus mandíbulas para formar un ángulo de 180 grados y las «arman» contra los pestillos dentro de sus cabezas. Enormes músculos, unidos a cada mandíbula por una cuerda similar a un tendón, tiran de las mandíbulas en su lugar y luego se flexionan para acumular una reserva de energía elástica; esta flexión es tan extrema que deforma los lados de la cabeza de la hormiga, haciendo que se doblen hacia adentro, encontró el equipo. Cuando la hormiga ataca, sus mandíbulas se desbloquean y la energía almacenada se libera de inmediato, lo que hace que las mandíbulas choquen entre sí.
Los investigadores analizaron este mecanismo de resorte con gran detalle, pero los ingenieros del proyecto se preguntaron cómo podría funcionar el sistema sin generar demasiada fricción. La fricción no solo ralentizaría las mordazas, sino que también generaría un desgaste destructivo en el punto de pivote de cada mordaza. Usando modelos matemáticos, finalmente encontraron una respuesta a cómo las hormigas trampa evitan este problema.
«Esta es la parte que más entusiasma a los ingenieros», en parte porque el descubrimiento podría allanar el camino para la construcción de pequeños robots cuyas partes pueden girar con una velocidad y precisión sin precedentes, Sheila Patek, profesora de biología de Hehmeyer en la Universidad Duke de Durham, Carolina del Norte, y el autor principal del estudio, dijo a WordsSideKick.com.
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Un sistema de muelles casi sin fricción
Para estudiar las increíbles mandíbulas de brunneus, Patek y sus colegas recolectaron hormigas de una colonia encontrada en el monte cerca de Lake Placid, Florida. De vuelta en el laboratorio, el equipo diseccionó algunas de las hormigas y tomó medidas detalladas y micro-tomografías computarizadas sus partes del cuerpo, especialmente sus mandíbulas y músculos y el exoesqueleto de la cabeza. Más tarde incorporaron estas medidas en sus modelos matemáticos de los movimientos de las hormigas.
Además, el equipo colocó algunas hormigas frente a una cámara de alta velocidad que capturó imágenes a la friolera de 300 000 fotogramas por segundo. (El video generalmente se filma a 24-30 cuadros por segundo, a modo de comparación). Estos videos revelaron que, cuando las hormigas se preparaban para atacar, el exoesqueleto que cubría sus cabezas sufrió una compresión significativa, se acortó aproximadamente un 3 %, a lo largo, y creció alrededor 6% más delgado alrededor del centro. Esta compresión ocurrió durante varios segundos, lo que se siente lento en comparación con el rápido mordisco de la hormiga, dijo Patek.
Una vez liberadas de sus capturas, las mandíbulas de las hormigas se balancearon describiendo un arco perfecto, alcanzando su velocidad máxima alrededor de la marca de 65 grados antes de comenzar a desacelerar. En su máximo, las puntas de las mandíbulas de las hormigas viajaban a unos 195 km/h por el aire.
Este movimiento ultrarrápido se llevó a cabo de manera suave y precisa gracias a varias fuerzas que actúan simultáneamente sobre las mandíbulas, determinó el equipo.
Por un lado, cuando la cabeza de la hormiga volvió a su forma normal, catapultó la punta de cada mandíbula al espacio. Mientras tanto, los grandes músculos dentro de la cabeza de la hormiga se relajaron y dejaron de estirar los tendones a los que estaban unidos. Cuando cada cuerda se ha estabilizado a su longitud normal, piense en una banda elástica alargada que se suelta repentinamente, ha tirado del extremo de la mandíbula que está dentro de la cabeza de la hormiga. Es este empujón y tirón simultáneo lo que hizo que las mandíbulas de la hormiga volaran una hacia la otra.
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Un principio similar se aplica al hacer girar una botella sobre una superficie plana; el movimiento giratorio requerido para hacer girar la botella implica empujar un extremo de la botella hacia adelante mientras se tira del otro extremo hacia atrás. De manera similar, cuando los bailarines realizan piruetas con el apoyo de un compañero, el compañero empujará una cadera hacia adelante y tirará de la otra hacia atrás para activar su giro. Sin embargo, la mejor analogía para el movimiento de la mandíbula de la hormiga trampa podría ser hacer malabarismos con palos, un arte circense en el que los artistas usan dos palos para hacer girar un palo en el aire.
El palo encuentra poca fricción mientras gira en el aire y, según sus modelos matemáticos, los autores del estudio creen que las mandíbulas de una hormiga trampa son igualmente libres. Al principio, los investigadores pensaron que cada mordaza podría girar alrededor de una junta de pivote, similar a una puerta sobre una bisagra, pero determinaron que tal estructura introduciría demasiada resistencia. En cambio, descubrieron que las mandíbulas giran alrededor de una estructura articular mucho menos rígida que requiere poco refuerzo en la cabeza de la hormiga.
«El mecanismo de doble resorte reduce drásticamente las fuerzas de reacción y la fricción en esta articulación, por lo que la articulación no necesita muchos refuerzos para mantener la mandíbula en su lugar», estudia el coautor del estudio Gregory Sutton, investigador de la Royal Society University en el La Universidad de Lincoln en Inglaterra le dijo a WordsSideKick.com en un correo electrónico. La falta de fricción en este sistema podría explicar cómo las hormigas trampa pueden atacar una y otra vez sin lesionarse, concluyeron los autores.
Los autores piensan que todas las hormigas trampa-quijada en el Odontomaco El género usa el mismo mecanismo de resorte para morder, pero las hormigas trampa en otros géneros pueden usar una estrategia ligeramente diferente, dijo Patek. Dicho esto, Patek sospecha que el mecanismo que descubrieron puede ser utilizado por otros artrópodos, a saber, insectos, arañas y crustáceos.
Por ejemplo, camarón mantisfamoso por lanzar puñetazos a 50 mph (80 km/h), es probable que deforme sus exoesqueletos y utilice tendones súper elásticos para acumular energía en cada golpe, aunque tal mecanismo aún no se ha identificado en los camarones.
«Estamos comenzando a darnos cuenta de que esta será la regla general para estos artrópodos súper rápidos», dijo Patek.
Publicado originalmente en Live Science.
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