«Как все членистоногие, кузнечикам и крабам сделали так называемые экзоскелеты из совершенно особого материала, названного кутикулой,» сказал профессор Дэвид Тэйлор, Центра Троицы Биоинженерии в Тринити-Колледже Дублин, Ирландия. «Этот экзоскелет защищает животное как доспехи рыцаря. Недавно мы показали, что эта кутикула — фактически один из самых жестких естественных материалов.»
«С точки зрения развития наличие Ваших костей на внешней стороне было довольно хорошим понятием,» сказал его коллега доктор Ян-Хеннинг Кинжалы. «Начиная с миллионов животных лет с экзоскелетами, такими как насекомые, пауки и ракообразные могут быть найдены в основном в каждой экосистеме в мире.»
Так, что делает этот экзоскелет настолько успешным? Вместе междисциплинарная команда использовала последние принципы технической механики, материаловедения и биомеханики, чтобы обратиться к этому вопросу. В частности Тэйлор и Дирки интересовались диаметром и толщиной костей. Они использовали специальную машину компьютерной томографии, чтобы произвести изображения рентгена лапок насекомого с разрешением только нескольких тысяч из миллиметра и собранных и сравненных данных от крабов и человеческих костей.
Их результаты, изданные в статье ‘Оптимизация формы в Exoskeletons и Endoskeletons: Анализ Биомеханики в Журнале Королевского общества, Интерфейса, показал, что, пока человеческие кости ноги — трубы относительно с толстыми стенами, у лапок насекомых и крабов есть очень более тонкая стена относительно их радиуса.
«Это отношение толщины стенок к радиусу может сказать нам много о механической стабильности структуры,» сказал Тэйлор. «Вообразите кости как простые трубы. Теперь, если бы у Вас было ограниченное количество материала, что Вы сделали бы? Вы сделали бы тонкий твердый прут или полую, тонкую окруженную стеной трубу? Когда сжато, прут мог бы легко согнуться как солома, полая труба однако могла бы признать ошибку как банка пива.»
Однако, для данного веса есть механическая оптимальная толщина стенок. И интересно, исследователи нашли, что форма ноги крабов представляет идеальный компромисс, чтобы сопротивляться и изгибу и силы сжатия события краба, идя под водой.
Нога саранчи с другой стороны оптимизирована, чтобы противостоять огромным силам изгиба, которые происходят, когда она подскакивает.
В сравнении не так успевала человеческая бедренная кость. Используя то же самое количество материала кости и принятия во внимание его механических свойств, человеческая бедренная кость могла быть «перепроектирована» как экзоскелет, чтобы быть дважды столь же сильной, как это теперь.
«Конечно, есть многочисленные другие факторы, определяющие эволюционные преимущества endo — и экзоскелетов,» сказал Тэйлор. «Однако, мы думаем, что, получая представление инженера-конструктора на проблеме были в состоянии пролить некоторый свет на эволюционное развитие скелетных форм.»