一項新的研究探討了螞蟻”筏”在洪水中聚集在一起以確保生存的方式。火蟻用自己的身體組成筏在洪水中生存，但這些紐帶是如何發揮作用的？我們又能從中學到什麼？紐約州立大學賓漢姆頓大學的一位教授正在研究這些問題，以擴展我們的材料科學知識。

賓漢姆頓大學（Binghamton University）的研究人員正在探索火蟻如何形成浮筏在洪水中生存，目的是將這些生物機制應用到材料科學中。研究小組對這些螞蟻浮筏的適應性和機械特性進行了研究，發現它們表現出一種獨特的”捕捉粘合”行為，能在壓力下增強強度。這項研究可能會開發出能在機械應力作用下自我強化的創新材料，可望應用於生物醫學植入物和軟機器人等多個領域。來源：羅伯特-瓦格納

當洪水侵襲火蟻生活的地區時，火蟻的生存對策是把蟻群螯合在一起，形成一個有浮力的”筏子”，漂浮在水面上，使蟻群團結在一起。把它想像成一種濃縮的、適應性強的材料，其中的構件–單一的螞蟻–實際上是有生命的。

賓漢姆頓大學助理教授羅布-瓦格納（Rob Wagner）作為科羅拉多大學博爾德分校弗內裡軟物質力學實驗室（Vernerey Soft Matter Mechanics Lab）的成員領導了這項研究，他們在研究中調查了這些活體筏的適應性反應。研究目標是了解它們如何自主變形和改變機械特性，然後將最簡單、最有用的發現融入人造材料中。

他說：「生命系統一直讓我著迷，因為它們能實現我們目前的工程材料無法實現的東西–甚至差得很遠。我們製造大塊聚合物系統、金屬和陶瓷，但它們都是被動的。

瓦格納認為，這種能量的儲存和轉換對於模仿生命系統的智慧和自適應行為至關重要。

在最近發表在《美國國家科學院院刊》上的論文中，科羅拉多大學的瓦格納和他的合著者研究了火蟻蟻排在拉伸時對機械負荷的反應，並將這些蟻排的反應與動態自癒聚合物進行了比較。

瓦格納說：”許多聚合物是透過動態鍵結合在一起的，這些鍵會斷裂，但可以重組。如果拉得足夠慢，這些鍵就有時間重組材料，這樣它就不會斷裂，而是像孩子們玩的黏液或軟冰淇淋一樣流動。我和我的同事認為它們也會做同樣的事情。

但瓦格納和他的合作者發現，無論他們以何種速度拉動螞蟻排，它們的機械反應幾乎都是一樣的，而且它們從未流動過。瓦格納推測，螞蟻在感覺到力量的時候會反射性地收緊並延長抓握的時間，因為它們想保持在一起。它們要么減弱，要么關閉動態行為。

測試火蟻筏在拉伸時對機械負荷的反應的實驗。來源：羅伯特-瓦格納

這種受力後黏結力增強的現象稱為”捕捉黏結行為”，它很可能會增強蟻群的凝聚力，這對蟻群的生存是有意義的。

「當你用一定的力量拉動典型的黏合劑時，它們會更快鬆開，壽命也會縮短–你拉動黏合劑，就是在削弱它。這就是你在幾乎所有被動系統中看到的情況，”瓦格納說。 “但在生命系統中，由於其複雜性，有時你會發現在一定範圍的外力作用下，捕捉到的鍵能保持更長的時間。有些蛋白質會自動機械地做到這一點，但這並不是蛋白質在做決定。 它們只是以這樣一種方式排列，當施加外力時，就會顯示出這些鎖定或’捕捉’的結合位點。

瓦格納認為，在工程系統中模仿這些捕捉鍵，可以製造出在機械應力較大的區域表現出自主、局部自強的人造材料。這可以延長生物醫學植入物、黏合劑、纖維複合材料、軟機器人組件和許多其他系統的壽命。

像火蟻蟻排這樣的昆蟲集體聚集體已經在啟發研究人員開發具有刺激響應機械特性和行為的材料。今年稍早發表在《自然-材料》（Nature Materials）上的一篇論文由德州農工大學的瓦爾響應生物材料實驗室（Ware Responsive Biomaterials Lab）領導，論文作者包括瓦格納（Wagner）和他的前論文指導教授弗朗克-J.Vernerey 教授的貢獻–該論文展示了由被稱為液晶彈性體的特殊凝膠或材料製成的帶子如何在加熱過程中盤旋，然後相互纏繞，形成類似固體的凝結結構，其靈感正是來自於這些螞蟻。

瓦格納說：”這項工作的一個自然進展是回答我們如何才能讓這些帶子或其他軟構件之間的相互作用像火蟻和一些生物分子相互作用那樣在負載下’接住’。”

編譯來源：ScitechDaily