Жучей смазке нашли применение в микроробототехнике

Зоологи
из Германии и химики из Дании обнаружили смазывающее вещество на белковой основе в бедренно-большеберцовом суставе жука-чернотелки. Ученые провели химический анализ смазки, а также выяснили, как именно она защищает суставы насекомых от износа. Секретируемое вещество может стать перспективным смазочным материалом для использования в микроробототехнике и для изготовления протезов, если изобрести экономичный способ его производства. Работа опубликована в журнале Proceedings of the Royal Society B: Biological
Sciences.

У человека и других
позвоночных суставы заключены полость, заполненную синовиальной жидкостью,
которая снижает трение и помогает защитить поверхности костей от износа в местах их
соприкосновения. Суставы насекомых, в свою очередь, не помещены в капсулу, а обнажены. Предыдущие исследования демонстрировали, что поверхность
контактирующих областей в суставе насекомых покрыта поровыми канальцами, которые транспортируют секреты, выделяемые эпителиальными клетками. Однако до сих пор механизм снижения
трения в суставах конечностей насекомых оставался неясным.

Теперь
исследователи под руководством Константина Надеина (Konstantin Nadein) из
Кильского университета имени Кристиана Альбрехта обнаружили, что поры на поверхности
суставов у жуков вида Zophobas morio (из семейства
чернотелок) выделяют смазывающее вещество в виде цилиндрических фрагментов. Авторы статьи изучили состав смазки и механизм, с помощью которого она снижает трение суставных поверхностей насекомых. 

Используя сканирующий электронный микроскоп, исследователи получили изображения «коленного» сустава жука Zophobas morio. Они обнаружили, что контактные поверхности бедренной и большеберцовой
частей сустава покрыты множеством отверстий диаметром около одного микрометра. Расстояние между ними в среднем в три-четыре раза превышает диаметр поры. Исследователи разглядели, как из этих пор выделяется воскоподобное вещество в виде цилиндрических фрагментов, соединенных между собой тонкими нитями. Длина нитевидных потоков варьируется от одного до
десятков микрометров. Нити могут разбиваться на кусочки разной длины или
оставаться целыми, собираясь в комки длиной более двухсот микрометров и толщиной в десятки микрометров.

Исследователи выяснили, что смазка
распространяется по суставам за счет движений большеберцовой
кости относительно бедренной кости, одновременно распадаясь на мелкие
фрагменты. Легко подвергаясь
пластическим деформациям, смазывающее вещество адаптируется к различным нагрузкам. Если насекомое испытывает небольшую нагрузку, секрет ведет себя как сухая смазка, и цилиндрические фрагменты практически не деформируются, а при высоких нагрузках кусочки смазки истончаются и
растекаются по поверхности сустава как вязкая жидкость. 

Также исследователи изучили физические и химические свойства смазывающего секрета жуков. Смазка не растворялась (при комнатной температуре) в дистиллированной воде, а также плохо растворялась в соляной кислоте и хлороформе. Однако вещество было хорошо растворимо в этиловом спирте (99,8-процентном) и в 10-процентной щелочи. Температура плавления смазки достигала больше 100 градусов по Цельсию. При помощи инфракрасной спектроскопии ученые установили, что смазка преимущественно состоит из белков, также в ней, вероятно, присутствуют жирные кислоты или липиды, но в небольшом количестве. 

Для оценки смазывающих свойств секрета, исследователи поместили между стеклянными пластинами жучью смазку и решили сравнить ее с тефлоном (твердой смазкой) и вакуумной (вязкой) смазкой. Стеклянные
пластины терли (вперед-назад) со
скоростью 78 микрометров в секунду при нагрузке 53,33–766,67 килопаскалей. Коэффициент трения скольжения смазанных жучьим секретом стекол (µ = 0,13) оказался сопоставим со значением, полученным для тефлона (µ = 0,14). Коэффициент трения в случае вакуумной смазки был
значительно выше (µ = 1,13).

Насекомые
являются традиционными объектами биомиметических исследований. В прошлом
месяце китайские инженеры выяснили роль волосков на поверхности пчелиного
брюшка — оказалось, что они снижают контакт между брюшными пластинками, тем
самым понижая трение между ними. Это позволяет пчелам совершать телескопические
движения брюшком с экономией 40 процентов энергии на силе трения. Такие
покрытия помогут при разработке материалов, при эксплуатации которых сухого
трения не избежать (например, в вакуумных установках). 

Виктория
Барановская

Источник: nplus1.ru

Adblock test .