Hãy tưởng tượng: bạn đang đi dã ngoại và một mẩu bánh quy biến mất - không phải bị chim ăn hay bị thổi bay, mà bị một con kiến nhỏ tha đi.
Bạn ngạc nhiên khi thấy một con côn trùng nhỏ bé kéo được một vật nặng, so với kích thước của nó, thì tương đương với việc bạn nâng một chiếc ô tô nhỏ.
Chúng ta đều đã thấy điều đó. Nhưng bạn đã bao giờ dừng lại và tự hỏi tại sao? Làm thế nào một thứ nhỏ bé như vậy lại có thể mạnh mẽ đến vậy? Có phải là do cơ bắp? Ý chí của chúng? Hay là do thiên nhiên vận hành theo một quy luật hoàn toàn khác?
Sự thật là, loài kiến không chỉ "mạnh". Chúng hoạt động theo một tập hợp các định luật vật lý có lợi cho những sinh vật nhỏ bé—những định luật khiến siêu năng lực của chúng không phải là phép thuật, mà là cơ học.
Không chỉ là cơ bắp—Mà là quy mô
Hãy làm rõ một điều: kiến không có cơ bắp vốn dĩ mạnh hơn chúng ta. Trên thực tế, sức mạnh cơ bắp trên một đơn vị diện tích khá giống nhau ở các loài động vật. Bí mật thực sự là gì? Kích thước.
Tiến sĩ Sarah Johnson, một nhà nghiên cứu cơ sinh học tại Đại học Cambridge, giải thích đơn giản:
"Sức mạnh phụ thuộc vào diện tích mặt cắt ngang của cơ, nhưng trọng lượng phụ thuộc vào thể tích. Khi động vật nhỏ đi, thể tích co lại nhanh hơn diện tích. Điều đó có nghĩa là những sinh vật nhỏ bé tự nhiên mạnh hơn so với trọng lượng cơ thể của chúng."
Hãy nghĩ theo cách này:
• Sức mạnh của con người tăng lên theo độ dày của cánh tay (phép đo 2D).
• Nhưng trọng lượng của chúng tăng lên theo kích thước toàn bộ cơ thể (phép đo 3D).
• Vì nhỏ bé, kiến có tỷ lệ sức mạnh trên trọng lượng tốt hơn nhiều—giống như một cần cẩu mini được chế tạo để nâng chứ không phải để di chuyển.
Vậy nên, nếu một người thu nhỏ lại bằng kích thước của một con kiến, về mặt lý thuyết, họ cũng có thể nâng được trọng lượng gấp nhiều lần trọng lượng cơ thể. Nhưng chúng ta không thể làm được điều đó—vì vật lý vận hành khác nhau ở các quy mô khác nhau.
Lợi thế sẵn có của kiến
Nhưng chỉ riêng kích thước không giải thích được tất cả. Kiến đã tiến hóa các đặc điểm để tối đa hóa lợi thế cơ học của chúng.
1. Đòn bẩy của bộ xương ngoài
Kiến không có xương bên trong. Thay vào đó, lớp vỏ cứng bên ngoài của chúng—bộ xương ngoài—hoạt động như một bộ khiên và một hệ thống đòn bẩy. Các cơ bám trực tiếp vào bên trong lớp vỏ này, tạo ra các chuyển động ngắn, hiệu quả, tạo ra lực lớn. Giống như việc cơ bắp của bạn được bắt vít vào một khung xương.
2. Thiết kế khớp cho sức mạnh, không phải tốc độ
Chân và hàm của chúng được thiết kế để tạo ra sức mạnh, không phải sự nhanh nhẹn. Các khớp được tối ưu hóa để chịu được tải trọng nặng, đặc biệt là khi mang thức ăn hoặc đào đường hầm. Hãy xem một con kiến nhai hạt giống - nó không nhanh, nhưng rất bền bỉ, nhờ khả năng kiểm soát cơ bắp chính xác và sự hỗ trợ về mặt cấu trúc.
3. Nỗ lực phân tán trong đàn kiến
Đây là một điều thú vị: kiến hiếm khi làm việc một mình. Khi một miếng thức ăn quá lớn, chúng sẽ hợp tác với nhau. Hai, năm, thậm chí hai mươi con kiến sẽ phối hợp, kéo đồng bộ như một đội xây dựng nhỏ. Nỗ lực tập thể này có nghĩa là không một con kiến nào thực sự nâng được vật nặng gấp 50 lần trọng lượng của nó - mà là sự chung tay.
Một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Science Robotics cho thấy kiến điều chỉnh vai trò của chúng theo thời gian thực: một số kéo, một số nâng, một số giữ nguyên. Đó không phải là sức mạnh thô bạo - đó là sự phối hợp đồng đội được dẫn dắt bởi bản năng và phản hồi.
Chúng ta có thể học được gì từ sức mạnh của kiến?
Bạn có thể nghĩ đây chỉ là một sự thật thú vị. Nhưng các kỹ sư và nhà khoa học đang rất chú ý.
Kiến là nguồn cảm hứng cho việc thiết kế các robot siêu nhỏ - những cỗ máy nhỏ bé mà một ngày nào đó có thể bò qua đường ống, kiểm tra máy móc, hoặc thậm chí hỗ trợ các thủ thuật y tế. Tiến sĩ Mark Liu, một kỹ sư robot tại MIT, cho biết:
"Chúng tôi đang mô phỏng cách kiến phân phối lực và phối hợp chuyển động. Hiệu quả của chúng ở quy mô nhỏ là điều chúng tôi không thể sao chép bằng động cơ và vật liệu truyền thống."
Ví dụ, các nhà nghiên cứu đã chế tạo những robot cỡ lòng bàn tay với khung và hệ thống khớp giống như bộ xương ngoài mô phỏng chân kiến. Những robot này có thể mang các cảm biến nặng so với kích thước của chúng—giống như mô hình sinh học của chúng.
Và không chỉ riêng robot. Hiểu được cách các hệ thống nhỏ xử lý tải trọng giúp thiết kế các vật liệu tốt hơn, từ tấm chắn nhẹ đến các thiết bị y tế linh hoạt.
Vậy, kiến có thực sự có thể nâng được gấp 50 lần trọng lượng cơ thể không?
Con số này khác nhau tùy theo loài, nhưng đúng là vậy—nhiều loài kiến có thể nâng được vật nặng gấp 10 đến 50 lần trọng lượng cơ thể. Một số loài, như kiến dệt châu Á, đã được ghi nhận có thể nâng được vật nặng gấp 100 lần trọng lượng cơ thể trong điều kiện phòng thí nghiệm.
Nhưng vấn đề ở đây là: chúng không thể làm được điều đó trong thời gian dài. Giống như một vận động viên chạy nước rút, chúng dựa vào những đợt tăng tốc ngắn. Cơ bắp của chúng nhanh chóng mệt mỏi vì thiếu hệ thống cung cấp oxy như các loài động vật lớn hơn. Vì vậy, mặc dù khỏe mạnh, chúng không phải là những vận động viên cử tạ bền bỉ.
Hơn nữa, phần lớn những gì chúng ta thấy là "nâng" thực chất là kéo lê hoặc kéo lê—dễ hơn so với việc nhấc khỏi mặt đất. Trên bề mặt phẳng, ma sát và lực đòn bẩy đảm nhiệm phần lớn công việc.
Tuy nhiên, đối với một loài động vật nặng chưa đến một gam, việc di chuyển những vật nặng hơn hàng trăm lần quả là một điều phi thường.
Kết luận
Lần tới khi bạn thấy một con kiến đang kéo vụn bánh mì trên sàn bếp, đừng chỉ gạt nó sang một bên. Hãy dành một giây. Sinh vật nhỏ bé đó là một kiệt tác của kỹ thuật tự nhiên - bằng chứng cho thấy sức mạnh không nằm ở kích thước, mà nằm ở việc bạn được tạo ra như thế nào cho thế giới của mình.
Giờ hãy tưởng tượng nếu chúng ta có thể thiết kế các công cụ hoặc hệ thống hoạt động hiệu quả như vậy. Bạn muốn công nghệ lấy cảm hứng từ thiên nhiên giải quyết vấn đề gì? Tôi rất muốn nghe ý kiến của bạn.
