Insekt Sprünge angetrieben durch mechanische "Zahnräder"

(ISNS)--die schnelle Sprünge Baby Pflanze-hopping Insekten werden durch Strukturen in ihren Beinen, die aussehen und funktionieren wie menschengemachten mechanische Getriebe angetrieben, schlägt eine neue Studie.

Der Befund detailliert in dieser Ausgabe der Zeitschrift Science, offenbart einen bemerkenswerten Fall von ähnlichen Entwicklung bei Tieren und Maschinen, sagen Wissenschaftler.

"Ich denke, es ist ziemlich cool," sagte Malcolm Burrows, Zoologe an der Universität Cambridge in Großbritannien "Es ist eine Annäherung an eine Lösung für das gleiche Problem."

Höhlen und sein Kollege Gregory Sutton studierten wie Insekten geschafft, so schnell zu springen, wenn sie ihre Aufmerksamkeit auf eine Tierart gefunden in Gärten in ganz Europa genannt Issos Coleoptratus, auch bekannt als das Planthopper gedreht.

Als das Paar unreife Formen oder Larven der Insekten, studierte entdeckten sie hervorstehende, Zähne-ähnliche Strukturen auf ihre hinteren Bein Gelenke.

"Dachten wir, nun, das ist ziemlich komisch," erinnerte Burrows.

Bei näherer Betrachtung unter dem Mikroskop ergaben sich die "Zähne" zu gebogenen Gang oder Zahnrad-wie Streifen gehören auf jedes Hinterbein gefunden. Und genau wie ein Rädchen schien die Zähne miteinander, wie auf die Räder eines Fahrrads ineinander greifen.

Video mit freundlicher Genehmigung von Malcolm Burrows

"Wir waren völlig verblüfft, als wir das sahen," sagte Burrows.

Die Wissenschaftler Erstaunen wuchs, als sie High-Speed-Video von live Planthoppers nahm und beobachtete, wie die Verzahnung des Insekts gegen Hinterbeine miteinander verriegelt und in Vorbereitung auf einen Sprung gedreht.

"Man konnte diese bewegte Vergangenheit miteinander, wie eine künstliche Zahnrad Zahnräder sehen. Es war außergewöhnlich", sagte Burrows.

Das Video zeigte auch, dass dieser Mechanismus funktioniert, um das Insekt Beine zu einem bemerkenswerten Grad zu koppeln: Wenn ein Bein bewegt, seine Rädchen fest engagiert sich mit ihrem Gegenstück auf dem anderen Bein, drehen und veranlaßt sie, um den genau gleichen Betrag bewegen.

Synchronisierte Sprünge

Das Endergebnis ist, dass beide Beine, innerhalb von 30 synchronisiert werden Millionstel einer Sekunde voneinander.

Diese Synchronität sehr schwer zu erreichen mit nur das Insekt Nervensystem wäre, sagte Burrows. "Das Nervensystem verwendet Nervenimpulse mit einer Dauer von ein bis zwei Millisekunden – viel länger als die 30 Mikrosekunden wir beobachtet."

Baby Planthoppers erfordern diese Präzision beim springen, da selbst kleinste Abweichungen zwischen ihren zwei Beinen Knick seitwärts zu vermitteln und die Insekten außer Kontrolle geraten drehen würde.

"sie ist unglaublich schnell gehen," sagte Burrows. "In einer Millisekunde von Null Geschwindigkeit auf etwa 12 km/h wirst."

Fake-Getriebe und Schrauben

Burrows sagt, dass, während andere Beispiele von Cog-ähnliche Strukturen im Tierreich gibt es – wie die Shell die Cog-Rad-Schildkröte oder der Rückseite des Rad-Bug – sie sind ornamental als funktional.

Das Hinterbein Segmente von einigen Käfern tragen eine verblüffende Ähnlichkeit mit Schrauben, fügte er hinzu, "wie es funktioniert und ob es funktioniert wie eine Schraube noch nicht gezeigt worden."

Biologin Sheila Patek von der Duke University in Durham, N.C., sagte sie in ihrer eigenen Forschung über viele Analogien zwischen Biologie und künstliche Produkte gekommen ist. "Ich entdeckte einen Klang erzeugenden Mechanismus in Langusten, der funktioniert wie eine Geige", sagte Patek, wer nicht in die Forschung an den Planthoppers beteiligt war. "Ich arbeite auch auf einen Pilz Spore-Katapult, das wie ein Tintenstrahldrucker arbeitet."

Hillel Chiel, Professor für Biologie, Neurowissenschaften und Biomedical Engineering an der Case Western Reserve University in Cleveland, die auch in der Forschung nicht teilgenommen haben, darauf hingewiesen, dass weitere Parallelen zwischen biologischen und künstlichen Strukturen vorhanden sein können, wenn Menschen bessere Materialien Ingenieure waren.

"Der Grund, den künstlichen Geräte nicht mehr ähnlich denen in biologischen Organismen sind oft aufgrund von Einschränkungen in den Materialien für die Menschheit im Vergleich zu denen, die natürlich von biologischen Organismen verwendet werden kann", sagte er.

Flexible Systeme

Interessanterweise, Höhlen und Sutton nur Bein Zahnräder auf gefunden Planthopper Nymphen – die Beine der erwachsenen Tiere haben sie nicht. Die Wissenschaftler vermuten, dass die Zähne der Zahnräder mit der Zeit verschleißen; Sie stellten fest, Instanzen von Bein Außenverzahnungen mit geschädigter Zähne, die "ein paar Kerben vor dem Fang rutschte".

Für Nymphen, solche Abnutzung ist kein riesiges Problem, weil sie Häuten – oder aus ihrer abgenutzten Außenhaut für neue, größere Schuppen – regelmäßig.

"Wenn einige Schäden an einem Zahnrad auftritt, es bei der nächsten Häutung repariert werden kann," erklärte Burrows.

Häutung stoppt, wenn die Insekten, aber erwachsen. "Wenn Sie Ihr Zahnrad an Ihrem ersten Tag als Erwachsener Schaden dann du ein sehr unglückliches Planthopper bist," sagte Burrows.

Anstelle von Zähnen verwenden Erwachsene Planthoppers einen anderen Mechanismus, um die Beine während der Sprünge zu synchronisieren.

Diese Flexibilität ist ein Markenzeichen von biologischen Systemen, Chiel zur Kenntnis genommen, und die Ingenieure von biologisch inspirierte Roboter nehmen könnte zur Kenntnis.

In Science News Service wird unterstützt durch das American Institute of Physics. Ker als ist ein freiberuflicher Schriftsteller mit Sitz in Südkalifornien. Er tweets auf @kerthan.