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使用简单的模型研究巨大的蚂蚁头可能有助于仿生设计

研究人员使用各种建模方法来研究形式和功能。通过使用一个基本的生物力学模型来研究蚂蚁的身体形态和质心稳定性,新的研究确认了“简单模型”的好处,并希望它可以用于仿生设计。

“大多数生物是限制在他们的形状和大小,因为它们在不同的需求,如飞的能力,寻找食物,和繁殖,”安德鲁·苏亚雷斯说,昆虫学教授和部门负责人进化,生态和行为在伊利诺伊大学香槟分校。

“蚂蚁是独一无二的,因为它们是群居的,并且分工。因此,它们没有其他昆虫对身体的限制。”进化、生态学和行为学助理教授菲利普·安德森(Philip Anderson)说:“蚂蚁的头部与身体的比例各不相同。”“有些蚂蚁的头非常大,即使看起来它们的头应该向前倾,但实际上它们并没有。为了研究它们的身体设计,我创建了一个简单的数学模型来确定它们的平衡中心。”

这两名隶属于贝克曼先进科学技术研究所的研究人员,通过将蚂蚁身体视为一系列相连的椭球体,创建了一个蚂蚁身体的基本模型。他们从antweb.org上测量了蚂蚁的身体,该网站上有加利福尼亚科学院收集的蚂蚁照片。

研究“蚂蚁的‘简单’生物力学模型揭示了当头部变大时,身体各部分之间的相关进化如何最小化质心的变化”发表在《综合与比较生物学》上。

安德森说:“我们发现,蚂蚁在腿上保持着一个平衡中心。”“这些模型帮助我们了解了这些不同寻常的蚂蚁是如何进化的,以及它们身体的其他部分是如何进行补偿的。”

工蚁就像充满希望的怪物。它们可以摆弄自己的体型,比其他昆虫产生更多的变化。通过这些模型,我们可以看到,尽管它们有这些夸张的形式,但它们并没有违反物理定律。

尽管研究人员集中精力尽可能地简化模型,但仍存在一些限制,“将蚂蚁的身体当作椭球体,不能准确地代表它们的实际形状,”安德森说。“此外,我认为身体的每个部位密度都是一样的,但我们的合著者迈克尔·里维拉(Michael Rivera)指出,头部比腹部密度大得多,这就改变了计算结果。”

研究人员希望这种简单的模型可以应用于仿生设计的应用中。“如果你需要给机器增加重量,会发生什么?”增加背部的重量是否足够,或者有其他的方法来弥补?使用这样的模型,我们可以向大自然寻求这些问题的解决方案,”Suarez说。

研究人员参加了今年1月在德克萨斯州奥斯汀举行的综合和比较生物学学会年会上的“融合模型和形态学:整合方法来理解形式和功能的进化”研讨会。Lindsay Waldrop和Jonathan Rader组织了这次研讨会。

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