PNAS: Огненные муравьи вдохновили на создание идеального адаптивного материала

Огненные муравьи создают плоты, чтобы пережить наводнение, но как работают эти связи? И чему мы можем научиться на их примере? Профессор Бингемтонского университета штата Нью-Йорк исследует эти вопросы, чтобы расширить наши знания в области материаловедения.

Когда на регион, где живут огненные муравьи, обрушивается наводнение, их реакция на выживание заключается в том, что они сцепляются друг с другом, образуя плавучий «плот», который плывет и удерживает колонию в единстве. Подумайте об этом как о конденсированном, адаптивном материале, где строительные блоки — отдельные муравьи — на самом деле живые.

Ассистент профессора Бингемтонского университета Роб Вагнер возглавил исследование в рамках лаборатории механики мягкой материи Вернери в Университете Колорадо Боулдер, в ходе которого они изучали адаптивную реакцию этих живых плотов. Их цель — понять, как они автономно изменяют свои механические свойства, а затем использовать самые простые и полезные открытия в искусственных материалах.

Живые системы всегда восхищали меня, потому что они достигают того, чего не могут наши современные инженерные материалы — даже близко, — говорит он.

Мы производим объемные полимерные системы, металлы и керамику, но они пассивны. Их составляющие не накапливают энергию и не преобразуют ее в механическую работу, как это делают все живые системы.

Вагнер считает, что накопление и преобразование энергии необходимо для имитации умного и адаптивного поведения живых систем.

В своей последней публикации в Proceedings of the National Academy of Sciences Вагнер и его соавторы из Университета Колорадо исследовали, как плоты огненного муравья реагируют на механическую нагрузку при растяжении, и сравнили реакцию этих плотов с динамическими, самовосстанавливающимися полимерами.

Многие полимеры удерживаются вместе динамическими связями, которые разрушаются, но могут восстанавливаться, — говорит Вагнер.

Если тянуть достаточно медленно, эти связи успевают перестроить материал так, что вместо того, чтобы разрушаться, он течет, как слизь, с которой играют наши дети, или мягкое мороженое. Но если тянуть очень быстро, он ломается, как мел. Поскольку плоты удерживают вместе муравьи, цепляющиеся друг за друга, их связи могут разрываться и восстанавливаться. Поэтому мы с коллегами решили, что они будут делать то же самое.

Но Вагнер и его коллеги обнаружили, что с какой бы скоростью они ни тянули муравьиные плоты, их механическая реакция была практически одинаковой, и они никогда не текли. Вагнер предположил, что муравьи рефлекторно сжимают и разжимают свои хватки, когда чувствуют силу, потому что хотят держаться вместе. Они либо уменьшают, либо выключают свое динамическое поведение.

Такое явление, когда связи становятся крепче, когда к ним прикладывается сила, называется поведением «ловчих связей», и оно, вероятно, усиливает сплоченность колонии, что имеет смысл для выживания.

Когда вы тянете за типичные связи с некоторой силой, они быстрее разрываются, и срок их службы уменьшается — вы ослабляете связь, потянув за нее. Это то, что вы видите почти в любой пассивной системе, — говорит Вагнер.

Но в живых системах, в силу их сложности, иногда возникают «ловчие» связи, которые сохраняются в течение длительного времени при определенном диапазоне приложенных сил. Некоторые белки делают это механически и автоматически, но это не значит, что белки принимают решение. Они просто устроены таким образом, что при приложении силы обнаруживают эти участки связывания, которые защелкиваются или „ловятся“.

Вагнер считает, что имитация таких связей в инженерных системах может привести к созданию искусственных материалов, которые будут демонстрировать автономное, локализованное самоукрепление в областях повышенного механического напряжения. Это может увеличить срок службы биомедицинских имплантатов, клеев, волокнистых композитов, мягких компонентов робототехники и многих других систем.

Коллективные скопления насекомых, такие как плоты огненных муравьев, уже вдохновляют исследователей на разработку материалов с чувствительными к стимулам механическими свойствами и поведением. В статье, опубликованной в журнале Nature Materials в начале этого года под руководством лаборатории Ware Responsive Biomaterials Lab в Texas A&M и при участии Вагнера и его бывшего научного руководителя профессора Франка Дж. Вернери, показано, как ленты из специальных гелей или материалов, называемых жидкокристаллическими эластомерами, могут сворачиваться под воздействием нагрева, а затем спутываться друг с другом, образуя конденсированные, твердые структуры, на которые вдохновили муравьи.

Естественным продолжением этой работы является ответ на вопрос, как мы можем заставить взаимодействие между этими лентами или другими мягкими строительными блоками «зацепиться» под нагрузкой, как это делают огненные муравьи и некоторые биомолекулярные взаимодействия, — заключает Вагнер.

15.05.2024


Подписаться в Telegram



Биосфера

Ученые СПбГУ и Сколтеха открыли секрет появления цыпленка
Ученые СПбГУ и Сколтеха открыли секрет появления цыпленка

Исследование хромосом в клетках, которые ...

IFLScience: Червь, которого ученые не видели с 1956 года, был у всех на виду
IFLScience: Червь, которого ученые не видели с 1956 года, был у всех на виду

Иногда ученые открывают новые виды, иногда тер...

Zoolinnean: Ученые открыли новый вид геккона со сросшимися костями
Zoolinnean: Ученые открыли новый вид геккона со сросшимися костями

Новый вид маленькой ящерицы нашли ученые ...

Current Biology: Ученые придумали, как отпугивать акул от серфингистов
Current Biology: Ученые придумали, как отпугивать акул от серфингистов

Серфингисты могут получить долгожданную защиту...

PeerJ: Выяснилось, как хищники справляются, когда остаются без зубов
PeerJ: Выяснилось, как хищники справляются, когда остаются без зубов

Как связаны износ зубов и работа челюстей...

Memoirs of the Queensland Museum — Nature: Открыт новый вид краба-отшельника
Memoirs of the Queensland Museum — Nature: Открыт новый вид краба-отшельника

Поприветствуем новый вид крабов-отшельник...

Ученые выяснили, как защитить томаты от надвигающейся жары
Ученые выяснили, как защитить томаты от надвигающейся жары

Сорта томатов, которые дают урожай в очен...

Palaeontology: Птицу ужаса, останки которой нашли в Южной Америке, съел кайман
Palaeontology: Птицу ужаса, останки которой нашли в Южной Америке, съел кайман

Окаменелость вымершей гигантской плотоядной пт...

Nature Chemistry: Протоклетки помогут биохимикам понять, как зародилась жизнь
Nature Chemistry: Протоклетки помогут биохимикам понять, как зародилась жизнь

Короткие липиды могли стать основой первых кле...

TE&E: Животные потребляют алкоголь чаще, чем мы думаем
TE&E: Животные потребляют алкоголь чаще, чем мы думаем

Есть много анекдотов о том, как дики...

FCoSc: Гигантские крысы поборются с незаконной торговлей дикими животными
FCoSc: Гигантские крысы поборются с незаконной торговлей дикими животными

Раньше африканские гигантские крысы умели нахо...

JVIM: ИИ находит шумы в собачьем сердце с точностью 90%
JVIM: ИИ находит шумы в собачьем сердце с точностью 90%

Алгоритм, изначально разработанный для лю...

PNAS: Эпоху динозавров запустил лед, а вовсе не пламя
PNAS: Эпоху динозавров запустил лед, а вовсе не пламя

201,6 миллиона лет назад произошло массов...

RSTB: Социальные виды, включая людей, живут и размножаются дольше
RSTB: Социальные виды, включая людей, живут и размножаются дольше

Социальные виды живут дольше и размножают...

Science: Водные насекомые заменят пауков и мух в пищевой цепи
Science: Водные насекомые заменят пауков и мух в пищевой цепи

Животные должны получать достаточное количеств...

Nature Communications: Новый метод уменьшает количество пор в растениях
Nature Communications: Новый метод уменьшает количество пор в растениях

Химическое соединение, которое регулирует плот...

IPS&M: Инвазивные деревья могут приносить владельцам участков доход
IPS&M: Инвазивные деревья могут приносить владельцам участков доход

На брёвнах инвазивных деревьев можно выращиват...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

Внеклеточные везикулы — новое слово в лечении воспалительных заболеваний кишечника
Внеклеточные везикулы — новое слово в лечении воспалительных заболеваний кишечника
The American Journal of Human Genetics: Бесплодие может быть вызвано мутацией
The American Journal of Human Genetics: Бесплодие может быть вызвано мутацией
Surfaces and Interfaces: Куркума и серебро на мембранах стерилизуют вирусы
Surfaces and Interfaces: Куркума и серебро на мембранах стерилизуют вирусы
1 укол вместо 15: в Челябинске предложили революционный метод лечения рака
1 укол вместо 15: в Челябинске предложили революционный метод лечения рака
Ученые из Новосибирска установили возраст шерсти детеныша саблезубой кошки
Ученые из Новосибирска установили возраст шерсти детеныша саблезубой кошки
Исследована двойная роль клеточного регулятора CED-9 в апоптозе
Исследована двойная роль клеточного регулятора CED-9 в апоптозе
Челябинские ученые создали систему управления объектами электроэнергетики
Челябинские ученые создали систему управления объектами электроэнергетики
PRL: Физики объяснили, как работает дробный заряд в пентаслойном графене
PRL: Физики объяснили, как работает дробный заряд в пентаслойном графене
Frontiers in Physiology: Космонавты обычно немного «тормозят» из-за стресса
Frontiers in Physiology: Космонавты обычно немного «тормозят» из-за стресса
PF: Семена чампати помогут физикам лучше понять оползни и каменные лавины
PF: Семена чампати помогут физикам лучше понять оползни и каменные лавины
В Московском Политехе создали алгоритм для прогнозирования пешеходного трафика
В Московском Политехе создали алгоритм для прогнозирования пешеходного трафика
Ученые СПбГУ и Сколтеха открыли секрет появления цыпленка
Ученые СПбГУ и Сколтеха открыли секрет появления цыпленка
NF: Выравнивание спина для термоядерного топлива удешевит ядерную энергию
NF: Выравнивание спина для термоядерного топлива удешевит ядерную энергию
JACS: Открыт новый тип наночастиц гидрида палладия, которые запирают водород
JACS: Открыт новый тип наночастиц гидрида палладия, которые запирают водород
Ученые Пермского Политеха разработали новый способ печати стентов
Ученые Пермского Политеха разработали новый способ печати стентов

Новости компаний, релизы

3D-печать: от самых смелых концепций до твердой реальности
КНИТУ вошёл в тройку лидеров по количеству перспективных российских стартапов
В ПсковГУ состоялось открытие научно-образовательной лаборатории «Когнитивное развитие в образовании»
Квантовая неделя в Санкт-Петербурге пройдет на площадке СПбГУ
Всероссийский исторический кроссворд собрал 15 тысяч участников