蚂蚁的下巴达到 120 英里/小时的速度。
以比眨眼快数千倍的速度移动，陷阱颚蚂蚁的弹簧加载的下巴会出其不意地捕捉昆虫的猎物，如果蚂蚁将其咀嚼器对准地面，它也可以将蚂蚁发射到空中。现在，科学家们已经揭示了蚂蚁的下巴如何以极快的速度突然闭合而不会因力而破碎。
在周四（7 月 21 日）发表在《实验生物学杂志》上的一项新研究中，一组生物学家和工程师研究了一种叫做 Odontomachus brunneus 的陷阱颚蚁，它原产于美国中部的部分地区美国和西印度群岛。为了增强它们闪电般的咬合力，蚂蚁首先将它们的下巴张开，形成 180 度角，然后将它们“翘起”靠在头部的闩锁上。巨大的肌肉，通过一条类似肌腱的绳索连接到每个下巴，将下巴拉到位，然后弯曲以建立弹性能量的储存；研究小组发现，这种弯曲是如此极端，以至于它会扭曲蚂蚁头部的两侧，导致它们向内弯曲。当蚂蚁攻击时，它的下巴会松开，储存的能量会立即释放出来，导致下颚粉碎在一起。
研究人员详细检查了这种弹簧加载机制，但该项目的工程师对系统如何在不产生过多摩擦的情况下工作感到困惑。摩擦不仅会减慢钳口的速度，还会在每个钳口的旋转点产生破坏性磨损。使用数学建模，他们最终找到了陷阱蚂蚁如何避免这个问题的答案。
杜克大学 Hehmeyer 生物学教授 Sheila Patek 说：“这是工程师们非常兴奋的部分”，部分原因是这一发现可以为建造微型机器人铺平道路，这些机器人的零件可以以无与伦比的速度和精度旋转。 北卡罗来纳州达勒姆和该研究的资深作者说。
几乎无摩擦的弹簧加载系统
为了研究 O. brunneus 令人难以置信的下颚，Patek 和她的同事从佛罗里达州普莱西德湖附近的灌木丛中发现的一个蚁群中收集了蚂蚁。回到实验室，研究小组解剖了一些蚂蚁，并对它们的身体部位进行了详细的测量和微 CT 扫描，特别是它们的下巴、肌肉和头部的外骨骼。他们后来将这些测量值插入到蚂蚁运动的数学模型中。
此外，该团队将一些蚂蚁放在高速摄像机前，该摄像机以每秒 300,000 帧的速度捕捉镜头。 （为了比较，视频通常以每秒 24 到 30 帧的速度拍摄。）这些视频显示，当蚂蚁准备攻击时，覆盖其头部的外骨骼受到了显着的压缩，长度缩短了约 3%，并且还在增长中间大约瘦了 6%。 Patek说，这种压缩发生在几秒钟内，与蚂蚁的快速咬合相比感觉很慢。
一旦从闩锁中释放出来，蚂蚁的下巴就会摆动一个完美的弧线，在开始减速之前达到它们在 65 度标记附近的峰值速度。蚂蚁的下颚尖以最快的速度在空中以大约 120 英里/小时（195 公里/小时）的速度行进。
研究小组确定，由于同时作用在颌骨上的多种力，这种超快运动得以顺利而精确地展开。
一方面，当蚂蚁的头部恢复正常形状时，它会将每个下巴的尖端弹射到太空中。 与此同时，蚂蚁头部的大块肌肉放松了，不再伸展它们所附着的肌腱状的绳索。 当每根绳索恢复到正常长度时——想想突然松开的一根被拉长的橡皮筋——它猛拉到蚂蚁头部内的下巴末端。 正是这种同时推拉让蚂蚁的下巴飞向彼此。
当您在平面上旋转瓶子时，类似的原理也适用。旋转瓶子所需的扭转运动包括向前推动瓶子的一端，同时向后拉另一端。同样，当芭蕾舞演员在搭档的支持下进行旋转时，搭档会将她的一个臀部向前推，另一侧向后拉以使她转动。然而，陷阱颚蚁下颌运动的最佳类比可能是棍子杂耍，这是一种马戏艺术，表演者使用两根棍子在半空中旋转指挥棒。
指挥棒在空中翻转时几乎没有摩擦，根据他们的数学模型，研究作者认为陷阱颚蚂蚁的下颚同样不受约束。起初，研究人员认为每个下巴都可能围绕一个销接头旋转，类似于铰链上的门，但他们确定这样的结构会引入太大的阻力。相反，他们发现颌骨围绕着一个刚性要小得多的关节结构旋转，这种关节结构几乎不需要在蚂蚁的头部进行加固。
“双弹簧机构极大地减少了该关节的反作用力和摩擦力，因此该关节不需要太多的加固就可以将下颌骨固定到位，”该研究的共同第一作者、皇家学会大学研究员 Gregory Sutton英国林肯大学在一封电子邮件中告诉 Live Science。作者总结说，这个系统中缺乏摩擦可以解释陷阱蚂蚁如何一次又一次地攻击而不会伤害自己。
Patek 说，作者认为 Odontomachus 属中的所有陷颚蚁都使用相同的弹簧加载机制来咬人，但其他属的陷颚蚁可能使用稍微不同的策略。也就是说，Patek 怀疑他们发现的机制很可能被其他节肢动物使用，即昆虫、蜘蛛和甲壳类动物。
例如，螳螂虾以以 50 英里/小时（80 公里/小时）的速度出拳而闻名，它可能会扭曲它们的外骨骼，并使用超弹性的肌腱为每次攻击增强力量——尽管尚未在虾中发现这种机制。
“我们开始意识到这将成为这些超快节肢动物的经验法则，”Patek 说。