Искусственный аналог маски личинки стрекозы помог понять механизм ее работы

Немецкие ученые предложили новый механизм, объясняющий крайне быстрое «выстреливание» маски личинки стрекозы, и экспериментально подтвердили его возможность с помощью искусственного аналога этого органа, проявляющего такие же двигательные свойства. Статья с исследованием природного механизма и описанием конструкции искусственного аналога опубликована в журнале Science Robotics.

Личинки стрекоз используют для охоты маску — орган, который эволюционировал из нижней губы. Он состоит из двух основных продолговатых сегментов и трех лопастей на конце: двух больших боковых и одной небольшой нижней, расположенной между ними. Для захвата жертвы, например, головастика, личинка резко открывает лопасти и распрямляет продолговатые сегменты, а затем закрывает лопасти обратно, захватывая в них добычу.

До недавнего времени механизм этого быстрого движения был не до конца ясен. Основной считалась гипотеза, что личинки используют для этого струю воды, выходящую из ректальной камеры из-за сокращения брюшных мышц. Обычно эта струя используется для защиты от хищников и быстрого ускорения. Ученые предполагали, что для атаки маской личинка может перенаправлять поток воды и тем самым ускорять распрямление этого органа. Однако эксперименты с измерением активности мышц и их рассечением показали, что во время атакующего движения личинки не задействуют эти мышцы. Кроме того, на иной механизм косвенно указывали блокирующие механизмы в маске, предназначение которых было неизвестно.

Исследователи из Кильского универститета под руководством Себастьяна Буссе (Sebastian Büsse) предложили новый механизм, объясняющий быстрое движение маски личинки, и воссоздали его в искусственном аналоге этого органа. Они предположили, что выдвигающий маску механизм по своему принципу работы напоминает катапульту. В каждом из сегментов есть как мышцы, способствующие движению, так и структуры из эластичного белка резилина. Эти эластичные элементы, находящиеся в деформированном состоянии, запасают энергию для мгновенного начала движения.

От срабатывания маску удерживает блокирующий механизм из трех компонентов. Для активации маски в ней есть дополнительная мышца, которая расцепляет части блокирующего механизма, после чего сегменты получают возможность свободно двигаться, а эластичные элементы из резилина начинают раскрывающее движение всей конструкции.

Исследователи провели эксперименты с личинками стрекоз родов Sympetrum и Anax. Они помещали личинки на мелкий песок (под водой) для того, чтобы видеть направление потоков воды. Выяснились, Anax во время захвата маской выстреливают водой назад, вероятно, для компенсации отдачи от маски, а Sympetrum вовсе не задействуют водяную струю при распрямлении маски. Таким образом авторы показали, что предыдущая гипотеза о гидравлическом механизме работы маски, вероятно, ошибочна. Также они косвенно подтвердили свою гипотезу, обнаружив резилиновые структуры в сегментах маски при помощи красителя. Наконец, авторы использовали КТ-томографию для создания точной модели движения маски, а также создания механического аналога.

Искусственный аналог маски состоит из неподвижной основы и двух сегментов под ней. Таким образом, он имитирует именно основное выдвижное движение маски, а не полностью ее работу, в том числе схлопывание лопастей. Вместо мышц в робомаске используется три сервопривода и три пружины (по две в среднем сегменте и одна в верхнем). Между нижним и средним сегментами установлен блокирующий механизм с еще одним сервопривод. Перед началом движения сервомоторы натягивают пружины, а затем сервопривод блокировщика отводит две блокирующие пластины вбок и два нижних сегмента из-за натяжения пружин одновременно начинают двигаться.

Авторы работы провели эксперименты, во время которых замеряли скорость движения сегментов. Расчеты показали, что для получения наблюдаемых скорости и ускорения сегментов необходима мощность в 48,6 ватт для первого сегмента и 29,7 ватт для второго, тогда как сервоприводы имеют пиковую мощность 3,8 и 1,9 ватт. Это подтверждает, что конструкция дает большое усиление мощности. Такие же расчеты они провели и для личинок. Они также показали, что простого движения мышц недостаточно для столь быстрого движения их масок. Кроме того, авторы показали, что робомаска позволяет за счет разного натяжения пружин в сегментах менять высоту и дальность, на которую выдигается конец маски. Эта особенность также наблюдалась и у личинок.

Исследователи отметили, что опровергли предыдущие гипотезы о природе быстрого движения маски личинки стрекозы и двумя методами доказали работоспособность нового механизма. Вместе с тем они считают, что для более полного изучения механизма необходимы дальнейшие исследования. В частности, они подозревают, что энергия для мгновенного начала движения может храниться не только в резилиновых структурах, но и в окружающей их кутикуле. Авторы считают, что созданный ими искусственный аналог маски личинок можно использовать в качестве основы для прыгающих роботов.

В 2019 году американские инженеры сумели воспроизвести при помощи 3D-печати другой необычный механизм, встречающийся в природе — клешню рака-щелкуна, которая за счет быстрого сведения и особой формы клешни способна создавать пузырьки с плазмой. Это создает в воде звук с уровнем громкости более 200 децибел, который оглушает, а иногда и сразу убивает добычу рака.

Григорий Копиев