В следующий раз, когда вас ужалит оса или пчела, подумайте об изящном жале, которое причинило вам столько боли.
В новом исследовании исследователи обнаружили, что жала этих двух видов примерно в пять раз мягче на кончике, чем у основания, чтобы облегчить прокалывание кожи. Ближе к телу насекомого жала тверже, поэтому они не слишком сильно сгибаются или ломаются, когда вы визжите в агонии.
«Осы и пчелы не хотят причинять слишком много боли, и мы считаем, что более мягкий наконечник снижает вероятность того, что вы заметите первоначальную вставку», - сказал Бхарат Бхушан, выдающийся ученый из Огайо и Ховард Д. Винбиглер, профессор машиностроения в Университете штата Огайо.
"Если бы вы почувствовали боль сразу, вы бы отреагировали и отшвырнули насекомое до того, как оно закончило вводить свой яд."
Бхушан провел исследование с коллегами из Индийского технологического института (ИИТ) под руководством Навина Кумара, доцента кафедры машиностроения. Он был опубликован 8 октября 2018 года в журнале Nature Scientific Reports.
Ученые собрали ос (Vespula vulgaris) и медоносных пчел (Apis cerana) возле ИИТ. Они исследовали жало с беспрецедентной точностью, используя сложные 3D-изображения, инструмент для измерения твердости и эластичности, а также численное моделирование для расчета наиболее эффективного угла проникновения.
«Когда вы внимательно изучаете эти жала, вы видите, насколько они элегантны и механически прочны», - сказал Бхушан, который понимает, что «элегантный», вероятно, не первое слово, о котором думает человек после того, как его ужалили.
"Сначала на ум могут прийти другие слова," сказал он со смехом. «Но если посмотреть на это с точки зрения инженера, стингеры действительно элегантно спроектированы».
Жала пчел и ос в чем-то различаются. Например, у ос изогнутые, а у пчел прямые. Но у них много общего.
У обоих видов жала имеют два зазубренных ланцета (например, иглы), которые выступают из конца жала. Ланцеты двигаются вперед и назад, чтобы проколоть кожу. Канал между ними доставляет яд.
Визуализация показала, что в стингерах есть полые пространства для снижения веса при сохранении прочности.
«Это продуманная конструкция, позволяющая оптимизировать механические свойства жала, не будучи при этом слишком тяжелыми», - сказал Бхушан.
Помимо того, что кончик жала мягче, исследование показало, что кончик жала примерно в семь раз эластичнее, чем у основания.
«Различия в твердости и жесткости по длине жала помогают ему проникать как можно глубже, сохраняя при этом свою структуру», - сказал он.
Выводы показали, что пчелы и осы, вероятно, не будут жалить человека прямо в кожу. Исследователи подсчитали, что наиболее эффективный угол проникновения составляет 6 градусов для жала медоносной пчелы и 10 градусов для жала осы. Это углы, которые лучше всего сохранят структурную устойчивость стингеров.
В аналогичном предыдущем исследовании Бхушан и его коллеги исследовали хоботок комаров, часть, которая прокалывает кожу, чтобы получить кровь. Откуда такое увлечение насекомыми, которые прокалывают нашу кожу?
Как инженер, сделавший карьеру на разработке продуктов, вдохновленных природой, Бхушан имеет практические причины. Он считает, что ученые могут разработать более совершенную и безболезненную микроиглу для медицинских целей, имитируя некоторые элементы конструкции пчел, ос и комаров.
Например, он считает, что иглы должны быть более мягкими на кончике, чтобы уменьшить боль при введении - точно так же, как острые части насекомых. Медицинские работники могут даже использовать результаты этого исследования в отношении наилучшего угла для введения жала при выборе новой микроиглы.
«Мы пытаемся продуктивно использовать то, что мы узнали об укусах насекомых, придумывая конструкцию лучшей микроиглы», - сказал Бхушан.