La biomecánica detrás de la asombrosa fuerza de la hormiga

Podría servir para el diseño de mejores exoesqueletos para humanos y articulaciones robóticas.

(crédito: OSC)

(crédito: OSC)

¿Cómo puede una hormiga elevar objetos varias veces más pesado que su propio cuerpo? Los ingenieros de la Universidad Estatal de Ohio, del Centro de Supercomputación de Ohio (OSC),  combinan modelado computacional y experimentos de laboratorio para encontrar la respuesta.

Se centraron en el cuello de la hormiga – la articulación única de tejido blando que une el exoesqueleto rígido de la cabeza y el tórax de la hormiga . Cuando una hormiga transporta los alimentos o cualquier otro objeto, la articulación del cuello soporta todo el peso de la carga.

Los investigadores aplicaron ingeniería inversa a la biomecánica del cuello mediante el desarrollo de modelos en 3D de la anatomía interna y externa de la hormiga utilizando rayos X imágenes de corte transversal (microCT) de espécimenes de la hormiga y la carga de datos en un programa de modelado (ScanIPþFE) que ensamblaron los segmentos y los convirtieron en un modelo de más de 6.5 millones de elementos.

El modelo a continuación se cargó en un programa de análisis de elementos finitos (Abaqus), una aplicación que permite crear simulaciones precisas de geometrías y fuerzas complejas, los datos se procesaron en el poderoso Oakley Cluster, un conjunto de 8.300 núcleos de procesador (Intel Xeon) en el Centro de Supercomputación de Ohio.

Articulaciones del cuello pueden soportar cargas de alrededor de 5.000 veces su peso corporal

Los experimentos, publicados en Journal of Biomechanics, revelaron que las articulaciones del cuello pueden soportar cargas de hasta 5.000 veces el peso del cuerpo de la hormiga, y que la estructura conjunta del cuello de la hormiga produce la mayor fuerza cuando su cabeza está alineada y recta, en vez de vuelta hacia un lado.

“Las cargas se levantan con las partes bucales, transferido a través de la unión del cuello hacia el tórax, y se distribuyeron más de seis patas que se anclan a la superficie de apoyo”, explicó Carlos Castro, profesor asistente de ingeniería mecánica y aeroespacial en el estado de Ohio. ” Mientras la investigación anterior ha explorado los mecanismos de fijación de las patas, poco se sabe sobre la relación entre la función mecánica y el diseño estructural y propiedades del material de la hormiga. ”

“El diseño y la estructura de esta interfaz es crítica para el desempeño de la articulación en el cuello. La interfaz única entre  materiales duros y blandos refuerzan la adhesión y puede ser una característica de diseño estructural clave que permite la gran capacidad de carga de la articulación del cuello”.

Las simulaciones confirmaron la fuerza direccional de la articulación y, en consonancia con los resultados experimentales, indican que el punto crítico para el fracaso de la articulación del cuello es en la transición del cuello hacia la cabeza, donde la membrana suave se junta con el exoesqueleto duro.

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