Sains

Kejuruteraan Semut: Cecair dan Pepejal?

Kejuruteraan Semut: Cecair dan Pepejal?

Penyelidik di Universiti Georgia menemui ciri-ciri menarik pada spesies semut api termasuk daya apungnya yang luar biasa, dan kecenderungan untuk bertindak sebagai cecair dan pepejal yang dapat melihat potensi aplikasi dalam kejuruteraan bahan moden.

Semut adalah makhluk aneh, melebihi jumlah manusia satu juta hingga satu. Jurutera semut merumitkan kediaman dengan saluran udara, saluran air, hospital dan banyak lagi. Lebih menarik lagi ialah semut api, khususnya cara mereka berinteraksi antara satu sama lain, dan persekitaran. Sebagai satu unit, semut api mempunyai semua perkara baik yang boleh dilakukan oleh spesies lain; mereka kuat dan masih berkhidmat di bawah ratu. Tetapi sebagai satu unit, semut api menunjukkan prestasi aneh seperti menjadi rakit hidup, bertindak sebagai cecair, sementara juga bertindak sebagai bahan padat.

Semut sangat sosial, saling bergantung untuk kelangsungan hidup mereka sendiri. Ketika bersama, semut bertindak sebagai satu unit, setanding dengan cecair, atau seperti yang digambarkan oleh Georgia Tech, seperti saus tomat. Apabila sesen pun dijatuhkan ke dalam kumpulan semut, serangga tersebut memutuskan untuk sementara mencengkam satu sama lain untuk membolehkan sen mengalir tepat melalui koloni, kemudian dipasang kembali setelah duit syiling itu berlalu.

Pengumpulan semut mempunyai kemampuan untuk mengubah bentuk dan bertindak dengan cara yang berbeza berdasarkan tugas-tugas yang ada untuk berinteraksi dengan persekitaran dengan lebih baik. Air ke semut tunggal sering mematikan, tetapi bagi semut api, ia boleh menjadi kaedah pengangkutan yang baik. Apabila air banjir melanda, semut-semut itu sendiri berkumpul menjadi jisim "pepejal" yang mempunyai daya apung yang luar biasa yang menjadikannya di atas air, tinggi dan kering (kecuali jika tentunya mereka berada di dasar). Semut juga terkenal membina jambatan dan jarak celah berkali-kali ukurannya sendiri.

"Ia tidak seperti saus tomat,"

Kata Alberto Fernandez-Nieves, seorang profesor di Pusat Pengajian Fizik.

"Semakin sukar anda memerah, semakin mudah mengalir. Tetapi dengan semut, ini berlaku jauh lebih dramatik daripada dengan saus tomat. "

Apa yang sedang berlaku?

Penyelidikan yang dilakukan di Institut Teknologi Georgia mendakwa semut dapat mengeluarkan prestasi yang luar biasa ini kerana serangga bertindak seperti cecair dan pepejal secara serentak - semut superfluid jika anda mahu. Semut dimasukkan ke dalam rheometer (lihat gambar di bawah - pada dasarnya alat yang menguji sifat pepejal dan cecair makanan) di mana mereka diputar pada kelajuan tetap dari sekitar 0,0001 rpm hingga sekitar 100 rpm. Telah diketahui oleh para penyelidik bahawa ketika berputar pada kecepatan yang lebih tinggi, tingkah laku semut hidup serupa dengan semut yang mati: di bawah kekuatan yang lebih tinggi, semut melepaskan dan bermain mati walaupun mempunyai kekuatan untuk bertahan lebih lama (jangan ' jangan risau, mereka baik-baik saja). Telah diketahui bahawa semut melakukan ini untuk melindungi semut yang lain dari cedera atau terbunuh di bawah kekuatan, walaupun ingin tetap bersama sebagai koloni.

Semut dalam rheometer, mesin yang menguji tindak balas bahan seperti pepejal dan seperti cecair [Sumber Gambar: Georgia Tech]

"Semut sepertinya memiliki sakelar on / off karena mereka melepaskan kekuatan yang cukup besar,"

Kata David Hu, seorang profesor lain dari George W. Woodruff School of Mechanical Engineering.

"Walaupun ingin bersama, mereka melepaskan dan bersikap seperti cairan untuk mencegah cedera atau terbunuh."

Mekanisme yang sama ditemui dalam eksperimen penurunan sen. Semut mengalir di sekitar koin untuk membiarkannya tenggelam ke dasar di mana ia tidak boleh menyebabkan bahaya. Namun, ketika semut (ilmiah) dicucuk, mereka bertindak balas seperti mata air dan cepat kembali ke bentuk semula jadi, menunjukkan aspek yang umumnya diatribusikan pada bahan seperti getah padat.

Semut bertindak sebagai bahan padat dan kenyal [Sumber Gambar: Georgia Tech]

"Ini adalah ciri khas tingkah laku viskoelastik,"

Kata Fernandez-Nieves.

"Semut menunjukkan tindak balas springy ketika diselidiki pada waktu yang singkat, tetapi berkelakuan seperti cairan pada waktu yang lebih lama."

Telah ditentukan bahawa semut sama padat dan seperti cecair. Membolehkan mereka menyesuaikan diri dalam senario persekitaran yang berbeza, memberi mereka kelebihan dengan kepakaran ganda mereka.

Semut bertindak sebagai cecair dan padat sementara beberapa "mengalir" keluar dari bawah kerana ada yang tetap "padat" - Mirip dengan cecair bukan Newtonian [Sumber Gambar: Georgia Tech]

"Hebatnya, tingkah laku yang diamati serupa dengan apa yang dilihat pada bahan yang tidak hidup, seperti gel polimer tepat pada saat mereka menjadi gel,"

kata Fernandez-Nieves.

"Ini cukup membingungkan, dan kami sekarang sedang melakukan lebih banyak eksperimen untuk mencuba dan memahami dari mana persamaan ini muncul dan berapa banyak yang dapat didorong. Melakukan ini diharapkan dapat memperluaskan cara kita berfikir tentang bahan-bahan seperti semut, yang aktif dan tidak seimbang. Ada banyak pekerjaan menarik yang kami rancangkan untuk dilakukan dengan semut. "

Ciri semut yang membingungkan dapat dibandingkan dengan memaksimumkan pakej jello. Pada titik maksimum, ia akan agak padat, tetapi juga agak cair. Jello serupa dengan sifat semut, bertindak sebagai pepejal dan cecair. Tetapi mungkin perkara yang paling membimbangkan semut adalah cara mereka menyesuaikan diri setelah terbelah dua.

"Mereka seperti logam cair - seperti adegan dalam filem Terminator."

Kata Hu, yang mendakwa fleksibiliti semut membolehkan mereka menikmati yang terbaik dari kedua-dua belah pihak dan memanfaatkan banyak situasi. Daripada membelah dan menyebarkan, semut bekerja sama dan membiarkan laluan bahan dan kemudian menyambung semula untuk membuat jisim "pepejal".

[Sumber Gambar:Georgia Tech]

Semut mempunyai kemampuan untuk bertindak sebagai cecair, tetapi juga memiliki kemampuan untuk mengapung seperti rakit padat. Kajian semasa cuba menentukan apakah kemampuan semut dapat dikaitkan dan diciptakan semula dalam bahan lain untuk membuat sifat pemasangan diri dan penyembuhan diri yang dapat melihat aplikasi di banyak bidang termasuk robotik dan sektor ketenteraan. Buat masa ini, makhluk kecil yang mengejutkan yang misterius itu tetap menjadi keajaiban kejuruteraan dengan teknik kelangsungan hidup mereka yang cerdas bahawa suatu hari nanti, jurutera manusia mungkin dapat mencipta semula.

LIHAT JUGA: Dinding Skala Robot Koperasi Seperti Semut

Ditulis oleh Maverick Baker


Tonton videonya: SIFAT PEPEJAL (Januari 2022).