Vì sao kiến nâng được vật nặng gấp nhiều lần cơ thể?

Với cái cổ đặc biệt, loài kiến không cần “những hy vọng tột đỉnh” để nâng các vật nặng.

Các nhà nghiên cứu đã phát hiện thấy khớp nối cổ của một loài kiến ruộng phổ biến của Mỹ có thể chống cự áp lực một cách kinh ngạc. Những khớp nối như vậy có thể thúc đẩy, các robot tương lai mô phỏng khả năng nâng vật nặng của kiến trên cả mặt đất và trong không gian.

Các hy vọng tuyệt đỉnh này (high hopes) có thể giúp di chuyển một cây cao su (giống như trong bài hát High hopes trong phim The hold in the head năm 1959, đây bài hát đạt giải Oscar cho ca khúc trong phim hay nhất), nhưng bí ẩn thật về sức mạnh huyền thoại của kiến có lẽ nằm trong khớp cổ tí xíu của loài côn trùng bé nhỏ này.

“Những con kiến là những hệ thống cơ khí thật sự rất ấn tượng”, Carlos Castro, một trợ lý giáo sư cơ khí và kỹ thuật hàng không vũ trụ tại trường đại học bang Ohio nói. “Trước khi bắt đầu các thử nghiệm, chúng tôi đã chủ quan ước tính rằng chúng có thể chịu được sức nặng gấp khoảng 1.000 lần trọng lượng cơ thể chúng, nhưng sự thật còn hơn thế nhiều”.

Các kỹ sư đang nghiên cứu xem, liệu những khớp nối giống như vậy có thể làm các robot tương lai có khả năng nâng vật nặng như kiến trên mặt đất và trong không gian hay không.

Các nhà nghiên cứu khác đã quan sát loài kiến trên cánh đồng từ lâu và họ đoán rằng, chúng có thể nhấc bổng vật nặng gấp hàng trăm lần trọng lượng cơ thể hoặc còn có thể là nặng hơn nữa, đánh giá dựa trên trọng lượng của những chiếc lá hoặc con mồi mà chúng vận chuyển. Tuy nhiên Castro và các đồng nghiệp của mình sử dụng một cách tiếp cận khác.

Họ đã làm kiến đứt ra thành từng phần riêng lẻ.

“Giống như việc bạn phải làm với bất kỳ một hệ thống máy móc nào, nếu bạn muốn biết chúng làm việc ra sao, bạn phải tách rời từng phần ra”, Castro nói. “Trong trường hợp này nghe có vẻ thật tàn nhẫn, nhưng chúng tôi đã gây mê cho chúng trước khi thực hiện”.

Các kĩ sư đã xem xét kiến Allegheny mound (Formica exsectoides) để xem liệu nó có giống là một dạng thiết bị mà họ muốn tái thiết kế hay không: Họ đã kiểm nghiệm các bộ phận chuyển động của loài kiến này và các vật liệu cấu tạo nên bộ phận đó.

Họ đã chọn loài kiến đặc biệt này vì, loài này phân bố phổ biến ở miền Đông Mỹ và có thể dễ dàng lấy được loài kiến này từ phòng nuôi thí nghiệm nghiên cứu côn trùng của trường đại học. Đó là một loài kiến đồng ruộng trung bình và không phải là đặc biệt về khả năng nâng đồ vật.

Họ đã chụp ảnh kiến bằng các kính hiển vi điện tử và chụp X-quang cắt lớp. Trước tiên, những con kiến được đặt vào tủ lạnh để gây mê, sau đó được dán úp xuống một máy li tâm được thiết kế đặc biệt để đo lực cần thiết làm biến dạng cổ và cuối cùng là làm gãy rời đầu ra khỏi thân.

Các máy ly tâm làm việc trên cùng một nguyên tắc giống như một trò chơi có tên Rotor. Trong trò chơi này, một phòng hình tròn sẽ quay cho đến khi lực li tâm ghim cơ thể vào tường và người chơi văng ra khỏi chỗ đứng trên sàn. Trong trường hợp của kiến, đầu của chúng được gắn keo lên sàn của các máy ly tâm, vì vậy khi máy li tâm đã quay, phần mình của kiến có thể bị kéo ra ngoài cho tới khi cổ của chúng bị đứt ra.

Các máy ly tâm quay với tốc độ hàng trăm vòng mỗi giây, và càng lúc càng gia tăng thêm áp lực lên những con kiến. Ở lực quay tương ứng với khoảng 350 lần trọng lượng cơ thể của kiến, các khớp cổ của kiến bắt đầu căng ra và cơ thể bị kéo dài ra. Những cái cổ kiến bị vỡ khi lực văng bằng khoảng 3.400 tới 5.000 lần trọng lượng cơ thể trung bình của chúng.

Các chụp cắt lớp CT phát hiện thấy, cấu trúc mô mềm của cổ và kết nối của cổ với bộ xương giáp cứng của đầu và cơ thể kiến. Các hình ảnh hiển vi điện tử cho thấy từng phần của khớp đầu - cổ - ngực được bao phủ trong một kết cấu khác lạ, các cấu trúc trông giống như những cái bướu hoặc lông lan rộng từ các vị trí khác nhau.

"Các côn trùng khác cũng có các cấu trúc vi mô tương tự, và chúng tôi cho rằng chúng có thể đóng một vai trò về cơ khí nào đó”, Castro nói. “Các vi cấu trúc này có thể điều chỉnh cách mà các mô mềm và bộ xương ngoài tiếp xúc nhau, nhằm giảm thiểu áp lực và tối ưu hóa chức năng cơ học. Chúng có thể tạo ra ma sát hoặc làm thanh giằng một bộ phận chuyển động để chống lại bộ phận khác".

Một tính chất quan trọng khác của thiết kế dường như là bề mặt chung giữa vật liệu mềm của cổ và vật liệu cứng của cái đầu. Quá trình chuyển đổi như vậy thường tạo ra nơi tập trung áp lực lớn, nhưng loài kiến có một sự chuyển đổi dần dần và phân loại giữa các vật liệu làm tăng hiệu quả - một tính năng thiết kế khác có thể hữu ích cho các thiết kế nhân tạo.

“Giờ thì chúng ta hiểu được giới hạn chịu đựng của những con kiến này và cách phản ứng cơ học khi nó chịu một tải trọng, chúng tôi muốn tìm hiểu xem nó di chuyển như thế nào. Cái gì đã giữ đầu của nó? Cái gì thay đổi khi kiến mang tải theo các hướng khác nhau?”.

Một ngày nào đó, nghiên cứu này có thể dẫn tới phát minh các robot siêu nhỏ kết hợp giữa các bộ phận cứng và mềm, giống như cơ thể của kiến vậy. Nhiều công việc ngày nay liên quan đến việc lắp ráp các robot nhỏ, các thiết bị riêng lẻ có thể cùng hoạt động với nhau. Tuy nhiên một vấn đề khó khăn sẽ xuất hiện nếu các nhà nghiên cứu cố gắng tạo ra các robot lớn dựa trên thiết kế tương tự, Castro giải thích.

Kiến là loài siêu mạnh mẽ trên quy mô nhỏ vì cơ thể của chúng quá nhẹ. Bên trong bộ xương ngoài cứng của mình, cơ bắp của chúng không cần phải hỗ trợ nhiều, do đó, chúng có thể tự do dùng tất cả sức mạnh của chúng để nâng các đối tượng khác. Con người thì ngược lại, mang theo tải trọng tương đối nặng do trọng lượng cơ thể của chính mình. Với cơ bắp của con người làm tăng thêm trọng lượng cơ thể, chúng ta không còn nhiều sức mạnh để nâng các đối tượng khác.

Trên một thang về kích cỡ con người, mặc dù vậy, lũ kiến chiến thắng bằng vật lý cơ bản. Trọng lượng cơ thể của chúng tăng cùng với thể tích tổng thể của chúng, trong khi sức mạnh cơ bắp của chúng chỉ tăng lên cùng với diện tích bề mặt. Vì vậy một người có kích thước bé nhỏ như kiến, nếu có thực mà không phải là trong một bộ phim kinh dị, có thể sẽ không thể mang vác vật nặng như kiến.

"Một robot có kích thước lớn dựa trên thiết kế đó có thể vậnh chuyển và kéo hàng hóa trong trạng thái không trọng lực, do vậy một ngày nào đó chúng ta có thể thiết kế một robot kiến khổng lồ trong không gian, hoặc ít nhất là một thứ gì đó lấy cảm hứng từ kiến”, Castro nói.

Trong lúc đó, các kỹ sư sẽ nghiên cứu cơ của kiến một cách kĩ lưỡng - có lẽ sử dụng hình ảnh cộng hưởng từ. Mô phỏng máy tính cũng sẽ giúp giải đáp cho câu hỏi làm cách nào để có thể mở rộng quy mô các cấu trúc tương tự .

Blaine Lilly, một giáo sư kỹ thuật cơ khí và hàng không vũ trụ, đã bắt đầu công việc nghiên cứu này cùng với cựu sinh viên Vienny Nguyen. Nguyen đã dành được bằng thạc sĩ với dự án này, và bây giờ Nguyen là một kỹ sư robot tại Trung tâm Vũ trụ Johnson, nơi cô đang giúp đỡ để thiết kế con robot Valkyrie cho DARPA Robotics Thách thức của NASA. Nguyen là sinh viên đại học bang Ohio Hiromi Tsuda gần đây gia nhập đội ngũ nghiên cứu của Castro, và cô phụ trách phân tích kết cấu bề mặt của kiến chi tiết hơn. Castro và Lilly cũng đã bắt đầu hợp tác với Noriko Katsube, cũng là một giáo sư kỹ thuật cơ khí và hàng không vũ trụ, và là một chuyên gia về mô hình cơ học của vật liệu sinh học.