ด้วงคลิกใช้การหดตัวแบบยืดหยุ่นของกลไกคล้ายสปริงในโครงกระดูกภายนอกเพื่อโยนตัวเองขึ้นไปในอากาศ กลไกการเคลื่อนที่ของแมลงถูกค้นพบโดยใช้การถ่ายภาพเอ็กซ์เรย์ซิงโครตรอนความเร็วสูง และนักวิจัยในทีมสหสาขาวิชาชีพที่รับผิดชอบกล่าวว่าเทคนิคของพวกมันจะช่วยให้เราเข้าใจมากขึ้นเกี่ยวกับการจัดเก็บพลังงานและกลยุทธ์การปล่อยพลังงานในสัตว์อื่นๆ ที่เคลื่อนไหวเร็วมาก
สิ่งมีชีวิตขนาดเล็ก หมัดตั๊กแตนตำข้าว
มดกรามสร้างการเคลื่อนไหวที่เร็วที่สุดในอาณาจักรสัตว์ ความเร่งที่รุนแรงเหล่านี้ไม่ได้ขับเคลื่อนโดยกล้ามเนื้อ แต่เกิดจากการจัดเก็บพลังงานที่ซับซ้อนและโครงสร้างการขยายเสียง สัตว์ชนิดนี้คือด้วงคลิกElater abruptusซึ่งสามารถกระโดดได้มากกว่า 20 ความยาวลำตัวโดยไม่ต้องใช้ขา มันใช้สลักเพื่องอตัวของมันที่บานพับระหว่างทรวงอกและหน้าท้อง เมื่อคลายสลัก ด้วงจะคลายออกอย่างรวดเร็ว ทำให้เกิดเสียงคลิกดัง และ – หากไม่มีข้อจำกัด – จะกระโดดขึ้นไปในอากาศ
“มีการคาดเดากันมากมายว่าทำไมแมลงเต่าทองจึงพัฒนากลยุทธ์นี้ รวมถึงการหลบหนีผู้ล่าหรือไล่ล่าพวกมัน หรือเพื่อปลดปล่อยตัวเองจากที่แคบๆ เช่น พื้นที่ป่าหรือดิน” เอมี วิสซา วิศวกรเครื่องกลจากมหาวิทยาลัยอิลลินอยส์เออร์บานา – แชมเปญกล่าว “อย่างไรก็ตาม การกระโดดนั้นเกือบจะเป็นแนวตั้ง ทำให้เป็นกลยุทธ์การหลบหนีที่ไม่ดี”
สลัก โหลด ปล่อย แม้ว่าจะมีการศึกษาการกระโดดของแมลงปีกแข็งคลิกมาก่อน แต่ก็มีการวิเคราะห์เพียงเล็กน้อยเกี่ยวกับการเคลื่อนไหวคลิกหรือกลไกการจัดเก็บและปล่อยพลังงาน เพื่อบันทึกการเคลื่อนไหวอย่างรวดเร็วของกลไกนี้ Wissa และเพื่อนร่วมงานของเธอได้นำตัวอย่างด้วงสี่ชิ้นไปที่Advanced Photon Sourceที่ Argonne National Laboratory ด้วยการใช้ระบบเอ็กซ์เรย์ซิงโครตรอนความเร็วสูง พวกเขาจับการเคลื่อนไหวภายในของด้วงด้วยอัตรา 30,000 เฟรมต่อวินาที
สลักของด้วงอยู่ที่ด้านล่างของโครงกระดูกภายนอก
และประกอบด้วยหมุดบนทรวงอกและริมฝีปากบนหน้าท้อง การบันทึกเอ็กซ์เรย์ความเร็วสูงแสดงให้เห็นว่าการคลิกมีสามขั้นตอน: การล็อค การโหลด และการปล่อยพลังงาน ในการ “จับ” ด้วงจะเคลื่อนศีรษะและทรวงอกออกจากด้านล่างของร่างกาย ทำให้หมุดเลื่อนไปมาและเกาะติดกับริมฝีปาก
ในระหว่างขั้นตอนการโหลด ด้วงรักษาการโค้งงอนี้ในร่างกายของมันในขณะที่หนังกำพร้าอ่อนที่อยู่ด้านหลังหมุดจะทำให้เสียรูปและเก็บพลังงานยืดหยุ่นไว้ซึ่งทำหน้าที่เหมือนสปริง หลังจากการหดตัวนี้ ซึ่งใช้เวลาประมาณ 240 มิลลิวินาที หมุดหลุด สลักจะปลดล็อค และพลังงานที่เก็บไว้ในหนังกำพร้าจะถูกปล่อยออกมาอย่างรวดเร็ว เป็นผลให้ทรวงอกของด้วงถูกเหวี่ยงไปในทิศทางตรงกันข้ามและแมลงก็พุ่งขึ้นไปในอากาศ
“กุญแจสำหรับการเร่งความเร็วสุดขีดคือทั้งสลักและสปริง” Wissa บอกกับPhysics World “สปริงช่วยให้เก็บพลังงานยืดหยุ่นและปล่อยได้อย่างรวดเร็ว ในขณะที่สลักจะป้องกันไม่ให้สปริงหดตัวก่อนเวลาอันควร” การจำกัดความเสียหายภาพเอ็กซ์เรย์แสดงให้เห็นว่าหมุดเข้าถึงความเร็วสูงสุด 1.8 เมตรต่อวินาทีในระหว่างการปล่อยพลังงาน ความเร็วนี้สอดคล้องกับความยาวหมุดประมาณ 1,000 หมุดต่อวินาที และความเร่งสูงสุดมากกว่า 500 เท่าของความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลก
ภาพยังแสดงให้เห็นว่าการเสียรูปในหนังกำพร้าที่อ่อนนุ่มนั้นถูกปลดปล่อยออกมาในเวลาน้อยกว่า 1 มิลลิวินาที ซึ่งเร็วกว่าเวลาโหลดมาก ซึ่งสนับสนุนแนวคิดที่ว่าแมลงปีกแข็งคลิกสามารถขยายกำลังทางกลในระหว่างการคลิก และเป็นลักษณะเฉพาะของการหดตัวแบบยืดหยุ่น
ด้วงที่ไม่สามารถบดขยี้ได้เผยให้เห็นจุดแข็งของมันต่อนักวิทยาศาสตร์
แม้จะมีพลังที่พวกมันสร้างขึ้น Wissa กล่าวว่าแมลงสามารถคลิกซ้ำ ๆ ได้โดยไม่ได้รับบาดเจ็บ “เราพบว่าพลังงานถูกกระจายไปโดยใช้แรงหน่วงที่ไม่เป็นเชิงเส้น” เธอกล่าว และเสริมว่า “กลไกที่แน่นอนที่ป้องกันความเสียหายนั้นเป็นพื้นที่ของการวิจัยเชิงรุก”
การทำความเข้าใจกลไกทางกายภาพที่สัตว์ขนาดเล็กดังกล่าวใช้เพื่อให้เกิดความเร่งสูงสุดอาจมีการประยุกต์ใช้ไบโอมิเมติก “สิ่งที่ชัดเจนที่สุดอาจเป็นระบบหุ่นยนต์ขนาดแมลง” Wiissa กล่าว “อย่างไรก็ตาม สิ่งที่เราค้นพบในบทความนี้สามารถช่วยเราออกแบบกลยุทธ์การกระตุ้นใหม่สำหรับระบบกลไกขนาดเล็กที่อาจจำกัดกำลังได้”
ในงานใหม่ของพวกเขา ทีมงานได้ค้นพบวิธีที่ชาญฉลาดในการแก้ไขปัญหานี้ พวกเขาไม่สามารถควบคุมจังหวะเวลาของพัลส์รังสีเอกซ์ได้ พวกเขาให้เหตุผล ดังนั้นพวกเขาจึงไม่สามารถควบคุมเฟสของสนามสตรีคในขณะที่โฟโตอิเล็กตรอนถูกปล่อยออกมา อย่างไรก็ตาม พวกเขารู้ดีว่าระยะนี้จะมีวิวัฒนาการในช่วงเวลาระหว่างการปล่อยโฟโตอิเล็กตรอนและการปล่อยอิเล็กตรอนของสว่าน สนามสตรีคจึงประทับเฟสที่แตกต่างกันบนอิเล็กตรอนสองตัว และสิ่งนี้จะสะท้อนให้เห็นในพลังงานสัมพัทธ์ของพวกมัน
รูปแบบวงรีที่ชัดเจน
นักวิจัยทำการวัด 80,000 ครั้งที่แหล่งกำเนิดแสง Linac Coherentซึ่งเป็น XFEL ที่ SLAC ในแคลิฟอร์เนีย พวกเขาวางแผนตรวจจับพลังงาน photoionization กับพลังงานอิเล็กตรอนของ Auger สิ่งนี้แสดงให้เห็นรูปแบบวงรีที่ชัดเจน ซึ่งนักวิจัยได้ใช้ในการสร้างเฟสที่ล่าช้าขึ้นใหม่ และจากนั้นเวลาก็ล่าช้าระหว่างอิเล็กตรอนสองตัว ผลลัพธ์ของพวกเขาแสดงให้เห็นว่าอายุการใช้งานของ Auger ลดลง 2.2 fs ซึ่งใช้เวลานานกว่าที่คาดการณ์ไว้โดยการประมาณแบบคลาสสิก ซึ่งถือว่ากระบวนการปล่อยทั้งสองแบบแยกจากกัน การวัดนี้เห็นด้วยกับแบบจำลองควอนตัมที่สมบูรณ์ของการสลายตัวของอิเล็กตรอนที่มีความสัมพันธ์กัน
นักวิทยาศาสตร์ SOLEIL สร้างการทดลองทางความคิดแบบ double-slit David Villeneuveจาก Joint Attosecond Science Laboratory ในแคนาดารู้สึกประทับใจกับงานวิจัยนี้: “XFEL มีความกระวนกระวายใจเวลาต่ำมาก ทำให้การวัดเวลาที่แม่นยำไม่สามารถทำได้ งานของ Haynes [และเพื่อนร่วมงาน] แก้ปัญหานี้ได้” เขากล่าว “เทคนิคการอ้างอิงตัวเองนี้ช่วยขยายขอบเขตการทดลองที่สามารถทำได้ที่โรงงานของ XFEL อย่างมาก มันต้องการให้มีอิเล็กตรอนสองตัวที่ปล่อยออกมาเพื่อให้สามารถวัดเวลาสัมพัทธ์ได้ แต่เปิดโอกาสใหม่ ๆ สำหรับการทดลองที่ได้รับประโยชน์จากความเข้มของแสงขนาดใหญ่ที่มีจากแหล่งกำเนิด XFEL”
Credit : sagebrushcantinaculvercity.com saltysrealm.com sandersonemployment.com sangbackyeo.com sciencefaircenterwater.com
