Para peneliti di Universitas Binghamton sedang mengeksplorasi bagaimana semut api membentuk rakit terapung untuk bertahan hidup dari banjir, dengan tujuan menerapkan mekanisme biologis ini pada ilmu material. Tim mempelajari sifat adaptif dan mekanik dari rakit semut ini, dan menemukan bahwa mereka menunjukkan perilaku ‘ikatan tangkapan’ unik yang menguat di bawah tekanan. Penelitian ini dapat mengarah pada pengembangan material inovatif yang dapat memperkuat diri sebagai respons terhadap tekanan mekanis, dengan potensi penerapan di berbagai bidang termasuk implan biomedis dan robotika lunak. Kredit: Robert Wagner
Sebuah studi baru mengkaji cara ‘rakit’ semut berkumpul untuk memastikan kelangsungan hidup selama banjir.
Semut api membentuk rakit untuk bertahan hidup dari banjir, tapi bagaimana cara kerja ikatan tersebut? Dan apa yang bisa kita pelajari dari mereka? Seorang profesor Universitas Binghamton, Universitas Negeri New York sedang meneliti pertanyaan-pertanyaan tersebut untuk memperluas pengetahuan kita tentang ilmu material.
Saat banjir melanda wilayah tempat tinggal semut api, respons kelangsungan hidup mereka adalah dengan bersatu membentuk “rakit” apung yang mengapung dan menjaga kesatuan koloni. Anggap saja seperti bahan yang kental dan adaptif tempat bahan penyusunnya – masing-masing semut – benar-benar hidup.
Asisten Profesor Universitas Binghamton Rob Wagner memimpin penelitian ini sebagai bagian dari Vernerey Soft Matter Mechanics Lab di Universitas Colorado Boulder di mana mereka menyelidiki respons adaptif dari rakit hidup ini. Tujuannya adalah untuk memahami bagaimana mereka secara mandiri bermetamorfosis dan mengubah sifat mekaniknya, dan kemudian menggabungkan penemuan paling sederhana dan paling berguna ke dalam bahan buatan.
“Sistem kehidupan selalu membuat saya terpesona, karena mereka mencapai hal-hal yang tidak dapat dilakukan oleh bahan rekayasa kita saat ini – bahkan mendekatinya,” katanya. “Kami memproduksi sistem polimer massal, logam, dan keramik, namun bersifat pasif. Konstituennya tidak menyimpan energi dan kemudian mengubahnya menjadi kerja mekanis seperti yang dilakukan setiap sistem kehidupan.”
Wagner melihat penyimpanan dan konversi energi ini penting untuk meniru perilaku sistem kehidupan yang cerdas dan adaptif.
Membandingkan Rakit Semut dengan Polimer
Dalam publikasi terbaru mereka di Prosiding Akademi Ilmu Pengetahuan NasionalWagner dan rekan penulisnya di Universitas Colorado menyelidiki bagaimana rakit semut api merespons beban mekanis saat diregangkan, dan mereka membandingkan respons rakit ini terhadap polimer dinamis yang dapat menyembuhkan dirinya sendiri.
“Banyak polimer disatukan oleh ikatan dinamis yang putus, namun dapat terbentuk kembali,” kata Wagner. “Ketika ditarik dengan cukup lambat, ikatan-ikatan ini memiliki waktu untuk menyusun kembali materialnya sehingga – alih-alih patah – ia mengalir seperti slime yang dimainkan anak-anak kita, atau es krim yang disajikan dengan lembut. Namun, jika ditarik dengan sangat cepat, ia akan pecah lebih seperti kapur. Karena rakit-rakit tersebut disatukan oleh semut-semut yang menempel satu sama lain, ikatan mereka dapat putus dan terbentuk kembali. Jadi, saya dan rekan-rekan saya pikir mereka akan melakukan hal yang sama.”
Namun Wagner dan kolaboratornya menemukan bahwa berapa pun kecepatan mereka menarik rakit semut, respons mekanisnya hampir sama, dan rakit tersebut tidak pernah mengalir. Wagner berspekulasi bahwa semut secara refleks mengencangkan dan memperpanjang cengkeramannya ketika merasakan kekuatan karena ingin tetap bersama. Mereka menolak atau mematikan perilaku dinamis mereka.
Eksperimen untuk menguji bagaimana rakit semut api merespons beban mekanis saat diregangkan. Kredit: Robert Wagner
Fenomena ikatan yang semakin kuat ketika ada gaya yang diterapkan pada mereka disebut perilaku ikatan tangkap, dan kemungkinan besar akan meningkatkan kohesi koloni, sehingga masuk akal untuk kelangsungan hidup.
“Saat Anda menarik ikatan tertentu dengan kekuatan tertentu, ikatan tersebut akan lebih cepat lepas, dan masa pakainya berkurang – Anda melemahkan ikatan tersebut dengan menariknya. Itu adalah apa yang Anda lihat di hampir semua sistem pasif,” kata Wagner. “Tetapi dalam sistem kehidupan, karena kompleksitasnya, kadang-kadang ada ikatan yang bertahan lebih lama di bawah kisaran kekuatan tertentu. Beberapa protein melakukan hal ini secara mekanis dan otomatis, tetapi protein tidak mengambil keputusan. Mereka hanya diatur sedemikian rupa sehingga ketika suatu gaya diterapkan, hal itu akan memperlihatkan situs pengikatan yang mengunci atau ‘menangkap’.”
Wagner percaya bahwa meniru ikatan tangkapan ini dalam sistem rekayasa dapat menghasilkan bahan buatan yang menunjukkan penguatan mandiri yang terlokalisasi dan otonom di wilayah dengan tekanan mekanis yang lebih tinggi. Hal ini dapat meningkatkan masa pakai implan biomedis, perekat, komposit serat, komponen robotika lunak, dan banyak sistem lainnya.
Agregasi serangga kolektif seperti rakit semut api telah menginspirasi para peneliti untuk mengembangkan material dengan sifat dan perilaku mekanik yang responsif terhadap rangsangan. Sebuah kertas masuk Bahan Alam awal tahun ini — dipimpin oleh Ware Responsive Biomaterials Lab di Texas A&M dan termasuk kontribusi dari Wagner dan mantan penasihat tesisnya, Profesor Franck J. Vernerey — menunjukkan bagaimana pita yang terbuat dari gel khusus atau bahan yang disebut elastomer kristal cair dapat menggulung karena pemanasan, dan kemudian terjerat satu sama lain untuk membentuk struktur padat seperti yang terinspirasi oleh semut-semut ini
“Perkembangan alami dari penelitian ini adalah untuk menjawab bagaimana kita bisa mendapatkan interaksi antara pita-pita ini atau blok bangunan lunak lainnya untuk ‘menangkap’ beban seperti yang dilakukan semut api dan beberapa interaksi biomolekuler,” kata Wagner.
Referensi: “Kinetika ikatan tangkapan berperan penting dalam kohesi rakit semut api yang diberi beban” oleh Robert J. Wagner, Samuel C. Lamont, Zachary T. White dan Franck J. Vernerey, 15 April 2024, Prosiding Akademi Ilmu Pengetahuan Nasional.
DOI: 10.1073/pnas.2314772121
RisalahPos.com Network
Related posts
# PARTNERSHIP
