Зубчатая передача, которую считают изобретением человека, давно освоена в животном мире. Микроскопические шестерни позволяют насекомым прыгать по прямой.

Разрабатывая технические конструкции, ученые порой заимствуют у природы решения, созданные в ходе эволюции у животных или растений миллионы лет назад. Так, шарнирное соединение было подмечено сначала у животных, а уже затем применено в технике. Так же поступают инженеры при создании миниатюрных летающих роботов, воспроизводящих движения крыльев насекомых.

Прыгающие иссиды изобрели шестерни задолго до человека. Фотография: Burrows/Sutton

Но порой даже то, что считается результатом сугубо человеческой инженерной мысли, оказывается давно воплощенным природой в живых организмах. Так было с винтовым соединением, принцип работы которого реализован в структуре конечностей жука Trigonopterus oblongus, что было обнаружено два года назад.

В статье, опубликованной в журнале Science , ученые под руководством Малкольма Барроуза с факультета зоологии Кембриджского университета, доказали:

зубчатую передачу, с которой знаком каждый, кто хоть раз катался на велосипеде, тоже давным-давно использует природа.

То, как устроен «привод» задних конечностей мелких прыгающих насекомых семейства Issidae, ученые назвали «первым наблюдением механической зубчатой передачи в биологической структуре».

Наблюдая за прыжками личинок этих насекомых, которые обитают на деревьях по всей Европе, биологи задумались, как животным удается двигать задними конечностями почти одновременно? Скоростная видеосъемка показала, что обе ноги начинают движение синхронно, с рассогласованием менее чем в одну микросекунду.

По словам ученых, такую синхронность невозможно обеспечить путем нервных импульсов, длительность которых составляет не менее одной миллисекунды.

Присмотревшись в микроскоп внимательнее, энтомологи увидели техническое решение, давно применяемое в приводе велосипедов, коробках передач любого современного автомобиля и множестве других устройств, где вращательный момент передается от одного вала к другому.

Оказалось, что верхняя часть вертлуга — сегмента задней конечности личинки — имеет от 10 до 12 зубьев, которые входят в зацепление с аналогичной частью на соседней ноге.

Чтобы совершить большой прыжок, насекомое вводит в зацепление зубья одной ноги с ответной частью другой и распрямляет конечности с минимальным рассогласованием по времени.

«Точную синхронизацию было бы невозможно достичь благодаря нервной системе, так как импульсы идут слишком долго для требуемой координации движений», — говорит Барроуз.

«Используя механические шестерни, насекомое может послать нервные импульсы, чтобы создавать примерно равное усилие: когда одна нога начинает движение, шестеренки зацепляются, обеспечивая абсолютную синхронность. У этих насекомых скелет используется для решения задач, с которыми нервная система и мозг не справятся. Мы привыкли думать, что шестерни — это то, что мы можем видеть в созданных человеком машинах. Однако мы выяснили, что раньше мы просто плохо искали», — добавил Грегори Саттон, соавтор исследования, работающий в Университете Бристоля.

Интересно, что шестерни наблюдаются только у нимф насекомых, они исчезают при превращении во взрослую особь. Главная проблема зубчатых передач в технике заключается в том, что при поломке одного зуба эффективность всего механизма падает.

Ученые выяснили, что зубья шестерней обновляются при каждой линьке и исчезают после последней.

В отличие от самых распространенных в технике круглых шестерней, зубчатые участки ног Issidae имеют изогнутую форму с увеличенной вблизи места соединения кривизной. Размер этих шестерней порядка 400 микрон — по миниатюрности они оставляют далеко позади все созданные до этого человеческими руками зубчатые передачи.

Автор: Павел Котляр