Німецькі вчені запропонували новий механізм, що пояснює вкрай швидке «вистрілювання» маски личинки стрекози, і експериментально підтвердили його можливість за допомогою штучного аналога цього органу, що проявляє такі ж рухові властивості. Стаття з дослідженням природного механізму і описом конструкції штучного аналога опублікована в журналі.
Личинки стрекоз використовують для полювання маску - орган, який еволюціонував з нижньої губи. Він складається з двох основних тривалих сегментів і трьох лопатей на кінці: двох великих бічних і однієї невеликої нижньої, розташованої між ними. Для захоплення жертви, наприклад, пуголовка, личинка різко відкриває лопаті і розпрямляє довготривалі сегменти, а потім закриває лопаті назад, захоплюючи в них здобич.
До недавнього часу механізм цього швидкого руху був не до кінця ясний. Основною вважалася гіпотеза, що личинки використовують для цього струмінь води, що виходить з ректальної камери через скорочення черевних м'язів. Зазвичай цей струмінь використовується для захисту від хижаків і швидкого прискорення. Вчені припускали, що для атаки маскою личинка може перенаправляти потік води і тим самим прискорювати розпрямлення цього органу. Однак експерименти з вимірюванням активності м'язів і їх розсіченням показали, що під час атакуючого руху личинки не задіють ці м'язи. Крім того, на інший механізм побічно вказували блокуючі механізми в масці, призначення яких було невідоме.
Дослідники з Кільського універститету під керівництвом Себастьяна Буссе (Sebastian Büsse) запропонували новий механізм, що пояснює швидкий рух маски личинки, і відтворили його в штучному аналозі цього органу. Вони припустили, що механізм, який висуває маску, за своїм принципом роботи нагадує катапульту. У кожному з сегментів є як м'язи, що сприяють руху, так і структури з еластичного білка резиліну. Ці еластичні елементи, що знаходяться в деформованому стані, запасають енергію для миттєвого початку руху.
Від спрацьовування маску утримує блокуючий механізм з трьох компонентів. Для активації маски в ній є додатковий м'яз, який розчіпляє частини блокуючого механізму, після чого сегменти отримують можливість вільно рухатися, а еластичні елементи з резиліну починають розкривати рух всієї конструкції.
Дослідники провели експерименти з личинками стрекоз пологів і. Вони поміщали личинки на дрібний пісок (під водою) для того, щоб бачити напрямок потоків води. З'ясувалися, під час захоплення маскою вистрілюють водою назад, ймовірно, для компенсації віддачі від маски, а зовсім не задіють водяний струмінь при розпрямленні маски. Таким чином автори показали, що попередня гіпотеза про гідравлічний механізм роботи маски, ймовірно, помилкова. Також вони побічно підтвердили свою гіпотезу, виявивши резилінові структури в сегментах маски за допомогою барвника. Нарешті, автори використовували КТ-томографію для створення точної моделі руху маски, а також створення механічного аналога.
Штучний аналог маски складається з нерухомої основи і двох сегментів під нею. Таким чином, він імітує саме основний висувний рух маски, а не повністю її роботу, в тому числі схлопування лопатей. Замість м'язів у робомасці використовується три сервоприводи і три пружини (по дві в середньому сегменті і одна у верхньому). Між нижнім і середнім сегментами встановлено блокуючий механізм з ще одним сервопривод. Перед початком руху сервомотори натягують пружини, а потім сервопривід блокувальника відводить дві блокуючі пластини вбік і два нижні сегменти через натягнення пружин одночасно починають рухатися.
Автори роботи провели експерименти, під час яких заміряли швидкість руху сегментів. Розрахунки показали, що для отримання спостережуваних швидкості і прискорення сегментів необхідна потужність в 48,6 ватт для першого сегмента і 29,7 ватт для другого, тоді як сервоприводи мають пікову потужність 3,8 і 1,9 ватт. Це підтверджує, що конструкція дає велике посилення потужності. Такі ж розрахунки вони провели і для личинок. Вони також показали, що простого руху м'язів недостатньо для такого швидкого руху їх масок. Крім того, автори показали, що робомаска дозволяє за рахунок різного натягнення пружин в сегментах міняти висоту і дальність, на яку видигається кінець маски. Ця особливість також спостерігалася і у личинок.
Дослідники відзначили, що спростували попередні гіпотези про природу швидкого руху маски личинки стрекози і двома методами довели працездатність нового механізму. Разом з тим вони вважають, що для більш повного вивчення механізму необхідні подальші дослідження. Зокрема, вони підозрюють, що енергія для миттєвого початку руху може зберігатися не тільки в резилінових структурах, але і в навколишньому їх кутикулі. Автори вважають, що створений ними штучний аналог маски личинок можна використовувати як основу для стрибаючих роботів.
У 2019 році американські інженери зуміли відтворити за допомогою 3D-друку інший незвичайний механізм, що зустрічається в природі - клешню рака-лускуна, яка за рахунок швидкого зведення і особливої форми клешні здатна створювати бульбашки з плазмою. Це створює у воді звук з рівнем гучності понад 200 децибел, який оглушає, а іноді і відразу вбиває видобуток раку.