FYI.

This story is over 5 years old.

Tech

De drijvende vlotten van vuurmieren zijn een inspiratie voor biomaterialen

De manier waarop vuurmieren zich ordenen is een inspiratie voor nieuwe, zelfherstellende materialen.

Vuurmieren kunnen ongelooflijk goed samenwerken, hele kolonies werken samen om dingen voor elkaar te krijgen. Ja, het kunnen gemene beestjes zijn, maar het feit dat ze vlotten bouwen van hun eigen (stekende) lichaampjes is fantastisch.

De kans dat we in de buurt van een vuurmierenvlot een duik nemen is best klein, dus laten we ons op het geweldige gedeelte richten. Hoe kan het in godsnaam dat honderen of duizenden mieren hun lichamen aan elkaar vast knopen en zo robuuste structuren vormen?

Advertentie

Wetenschappers van Georgia Tech hebben zich over deze vraag gebogen, en de resultaten zijn fascinerend: de morfologie van vuurmieren is heel geschikt om ‘sterk verbonden netwerken te bouwen, die net zo poreus zijn als bekende biomaterialen zoals bot,” schrijven de auteurs van het artikel in het Journal of Experimental Biology.

De ontdekkingen geven inzicht in hoe mieren samenwerken, maar het onderzoek heeft nog meer toepassingen. Het kan een inspiratie zijn voor het ontwikkelen van slimme, zichzelf-reparerende materialen.

 “De bewegingen van de individuele mieren ten opzichte van elkaar, zorgen ervoor dat de materialen samen kunnen trekken en kunnen reageren op verstoringen,” schrijft coauteur David Hu me in een email. “Het resultaat is een structuur die reageert op zijn omgeving en tegelijkertijd sterk verbonden is.”

Vuurmieren kunnen veel verschillende structuren creëren door hun lichamen aan elkaar te schakelen. Hieronder een paar voorbeelden uit het onderzoek,  a) vlotten, b) hangende kolommen, c) bivakken, d) ontsnappingsdruppels, en e) ontsnappingstorens:

Zoals je ziet bij d) zijn de individuele mieren ongelooflijk sterk. Maar een vlot moet niet alleen sterk zijn, het moet ook licht en poreus zijn. De porositeit van een massa levende mieren meten wordt een beetje lastig, dus ze hebben het creatief aangepakt – ze hebben gewacht tot de mieren het vlot vormden, en vervolgens het hele geval ingevroren met vloeibare stikstof.

Advertentie

Toen ze het complete vlot ingevroren hadden, konden ze een micro-CT-scan maken, om zo de verbindingen van de structuur te meten. Wat ooit een warboel van dode insecten was, werd een 3D-computermodel van, juist, dode insecten:

Vervolgens kon het Georgia Tech-team de connecties in de structuur van de mierenmassa vergelijken met een controlegroep, die ze samenstelden door dode individuele mieren in een koker te nemen en die door elkaar te schudden zodat je een willekeurige structuur krijgt.

Morfologisch gezien komen vuurmieren in drie formaten voor: “Een onderzoek van Wood en Tschinkel liet zien dat 45% van de vuurmier-werkers in een volwassen kolonie klein zijn (hoofdwijdte van 0,8 mm), 42% medium (hoofdwijdte van 0,8 – 1,0 mm), en 16% groot (een hoofdwijdte van groter dan 1,0 mm),” schrijven de auteurs. Opvallend is dat de grootste mier drie keer zo groot is als de kleinste.

Het zijn insecten, dus ze hebben allemaal zes poten, waarmee ze elkaar vast kunnen grijpen. Het onderzoeksteam kwam erachter dat in de onderzochte vlotten elke mier gemiddeld 14,3 (!!!) connecties maakt. Oftewel, elke mier had zijn zes poten verbonden aan een andere mier, en nog 8,3 andere poten aan zichzelf verbonden. Dit is een verbeelding van één individu, met zijn eigen pootverbindingen in het blauw, en verbindingen met poten van andere mieren in het rood:

Daarnaast ontdekten de onderzoekers dat de onderzochte groep mieren 34% minder nauw verbonden waren dan de controle groep, dit komt omdat de mieren hun poten gebruiken om ruimte te creëren, waardoor een structuur met een kleine dichtheid ontstaat.

Advertentie

Dat is natuurlijk cruciaal om te kunnen drijven, want ook al zijn de lichamen van de mieren hydrofoob, zou een vlot met een te grote dichtheid zinken. Deze scans van een elektronenmicroscoop laten zien dat de kleine mierenpootjes zich aan alles vastklampen wat ze tegen komen:

Het onderzoek heeft ons dichter bij de oplossing van het drijvende-mieren-mysterie gebracht. Maar wat hebben we er verder aan? Nou, de bevinding dat mieren zich actief ten opzichte van elkaar ordenen is sowieso al fascinerend, het suggereert namelijk complexiteit in mierengedrag.

Om de ordening van de mieren te controleren, moet er een bepaalde samenwerking plaatsvinden, maar we weten nog steeds niet hoe ze dit doen.

Maar verder dan dat: het onderzoeken van de hoge connectiviteit van dit soort mierenstructuren, geeft weer inzichten voor materiaalwetenschappen en het ontwikkelen van andere stevige poreuze materialen.

 “Als we verder onderzoek doen naar mieren die zichzelf actief ordenen zullen we hopelijk de mechanismes waarmee de structuren georganiseerd worden beter leren kennen, en dat is weer inspiratie voor het ontwikkelen van andere zichzelf-reparerende biomimetische materialen,” schrijven de onderzoekers, en dat is zeker een van de redenen waarom het Department of Defense van de VS interesse toonde door bij te dragen aan de financiering van het onderzoek.

 “Dit is het eerste voorbeeld van een macroscopisch en zelfreparerend materiaal. De meeste zichzelf-reparerende materialen waar in het paper naar gerefereerd wordt, worden gemaakt met polymeren of chemicaliën,” zegt Hu. “Deze mieren laten zien dat we deze techniek op kunnen schalen”.