چگونه عنکبوت های بزرگ از علم نانو برای پرواز استفاده می کنند

فرض کنید که شما یک عنکبوت هستد که به یک دریاچه ی بزرگ مهاجرت کردید. یک انسان ممکن است از این حرکت ناراحت باشد اما به عنوان یک عنکبوت، شما می دانید که باید چه کار بکنید. شما خودتان را به باد می سپارید و تار خود را باز می کنید. کافی است که شما صبر کنید تا جریان هوا شروع شود و شما را با خود ببرد.
این جالب است که ریسمان های مربوط به عنکبوت نیازی به بریدن هوا ندارد، برخلاف بالن و یا یک باله. بسیاری از انواع عنکبوت ها می توانند با استفاده از نیروی لیفت ایجاد شده بواسطه ی ریسمان های باریک ابریشمی، جابجا شوند. بالون سواری می تواند موجب یک سفر مهیج برای عنکبوت شود. مسافت طی شده در برخی اوقات می تواند تا 3 تا صدها مایل ادامه داشته باشد. در حقیقت، عنکبوت ها اغلب اولین گونه ای هستند که در جزایر آتشفشانی ایجاد شده بواسطه ی بلایای طبیعی، ساکن می شوند. حال، یک مطالعه بر روی عنکبوت های خرچنگی به ما کمک خواهد کرد تا بدانیم آنها چگونه رفتار می کنند و چرا عنکبوت ها تنها در بادهای آرام پرواز می کنند. مطالعه ای که هم اکنون تحت بررسی است، در مجلات معتبر علمی به چاپ رسیده است.

پرواز عنکبوت در هر جایی

مونسانگ چو، مهندس ایرودینامیک و فارغ التحصیل از دانشگاه فنی برلین آلمان می گوید: پرواز عنکبوت که در حقیقت به آن بالون سواری نیز گفته می شود، معمولاً بوسیله ی چشم انسان مشاهده نمی شود. بیشتر عنکبوت های بالن سوار در حقیقت کوچکتر از یک دانه ی کنجد می باشند و علاوه بر این، تناب های ابریشمی این موجودات معمولاً بسیار نازک تر از طول موج نور مرئی می باشند و از این رو، این تارهای معمولا نامرئی هستند.
آنجلا چانگ، فارغ التحصیل رشته ی محیط زیست از دانشگاه تنسی می گوید: "در اغلب موارد، شما نمی توانید به خودی خود، عنکبوت ها را مشاهده کنید".
چانگ می گوید: "اما وقتی شما بدانید که به دنبال چه چیزی هستین، شما می توانید پرواز آنها را در هر جایی مورد رسد قرار دهید". او حتی می گوید که در زمان مطالعه ی روزنامه در پارک نیز چند عنکبوت کوچک را می توان مشاهده کرد که با تناب های ابریشمی خود جابجا می شوند.
چانگ می گوید: برای گونه هایی از عنکبوت ها که علاقه به ساخت بخش های توری شکل دارند، بالون سواری اغلب برای جدا شدن بچه های عنکبوت از مادر، مورد استفاده قرار می گیرد. عنکبوت های بالغ و نابالغ ممکن است برای رسیدن به بخش های دیگر، از روش بالون سواری استفاده کنند.
بالون سواری می تواند موجب یک سفر مهیج برای عنکبوت شود. مسافت طی شده در برخی اوقات می تواند تا 3 تا صدها مایل ادامه داشته باشد. در حقیقت، عنکبوت ها اغلب اولین گونه ای هستند که در جزایر آتشفشانی ایجاد شده بواسطه ی بلایای طبیعی، ساکن می شوند.

روش شروع پرواز

بیشتر تحقیقات بر روی بالون سواری عنکبوت ها بر روی گونه های کوچک تمرکز داشته است و در حقیقت، اکثر عنکبوت هایی که این کار را انجام می دهند، وزنی کمتر از 2 میلی گرم دارند. اما محققین این رفتار را در عنکبوت های مشاهده کرده اند که تا یک دوم اینچ طول دارند و وزن آنها گاهی اوقات به 150 میلی گرم نیز می رسد. این وزن در حدود وزن یک دانه ی آفتاب گردان در پوسته می باشد.
چاو و همکارانش می خواهند تا در مورد نحوه ی پرواز عنکبوت های بزرگتر اطلاعات کسب کنند. اطلاعاتی که می تواند روزی منجر به ساخت ربات ها و ابزارهایی شود که از همین تکنیک، بهره می برند. اما قبل از آنکه به صورت ریاضی در مورد این مباحث کار شود، آنها نیازمند دانستن در مورد روش های شروع پرواز بوسیله ی عنکبوت ها می باشند.
چاو بر روی عنکبوت های خرچنگی از نژاد Xysticus متمرکز شد که در حقیقت وزنی بین 6 تا 25 میلی گرم دارند و نسبتاً عنکبوت های بزرگی محسوب می شوند. در یک سری از آزمایش ها، او عنکبوت های خرچنگی را جمع کرد و آنها را در یک گنبد قارچی شکل قرار داد. سپس مشاهد کرد که چگونه آنها بالن سواری می کنند. پس از آن، او عنکبوت ها را برروی سطح صاف آزمایشگاه قرار داد و میزان وزش باد را کنترل کرد. یک کانال هوایی را با استفاده از یک نازل ایجاد کرد در حالی که یک سشوآر نیز این جریان هوایی را قطع می کرد. این کار باعث ایجاد نسیم افقی مطلوب و ملایمی می شد.
در حالت نسیم تند، عنکبوت ها به زیر لبه ی گنبد و یا سطح آزمایشگاه می افتادند، سپس خطوط بالونی به پشت آنها می چرخید. در نسیم های سبک، آنها ژست "نوک انگشتی" استفاده می کردند. به نقطه ای بالا حرکت می کردند و به سمت باد می چرخیدند و سپس شکم خود را تا حد ممکنه بالا می آوردند. اما قبل از این کار، آنها کاری غیر قابل پیش بینی انجام می دادند. آنها یک یا دو پای جلوی خود را بالا می آوردند و آنها را در هوا تکان می دادند. این کار ظاهراً به منظور حس کردن نسیم می باشد.

بیشتر بخوانید: پیامدهای اجتماعی علوم و فنّاوری نانو

آزمایش ها همچنین نشاندهنده ی وجود تفاوت میان استراتژی عنکبوت های خرچنگی و عنکبوت های کوچکتر می باشد. در گذشته، محققین مشاهده کرده بودند که عنکبوت های بسیار کوچک بر روی خط دراگ می افتند. در همین زمان یک تا ابریشمی می کشیدند و سپس منتظر می ماندند تا نسیم تار را پاره کند.
اما به جای پرواز کردن بر روی خط دراگ آنها، عنکبوت های خرچنگی از این خطوط برای لنگر ایمنی استفاده می کنند و یک جفت از تارهای خود را به گنبد اتصال می دهند. سپس آنها از 50 تا 60 خط پرواز استفاده می کنند که از همان نوع ابریشم تولید شده است و برای حرکت رو به جلو استفاده می شوند. این جالب توجه است که این خطوط در هم گیر نمی کنند و به صورت مثلثی مسطح و بواسطه ی نسیم قرار دارند.
چاو می گوید: برخی اوقات عنکبوت ها پس از شروع پرواز، قطع می کنند. اما برخی زمان های دیگر هم وجود دارد که آنها خط دراگ را برای چندین متر توسعه می دهند و پیش از پرواز اصلی، مانند یک بادبادک عمل می کنند.

اندازه گیری ابریشم و باد

چندین محقق تلاش کردند تا طول و تعداد ابریشم های بالن عنکبوت را در یک سفر، اندازه گیری کنند اما تیم چاو ممکن است اولین افرادی باشند که این اندازه گیری را به طور دقیق انجام داده اند. چاو طول خط بالون سواری را با استفاده از چارچوب سیمی شکل 8 اینچ، اندازه گیری کرد و او بخش هایی از ابریشم ها را برای بررسی دقیق تر، برید. بیشتر ابریشم مورد استفاده برای بالون سواری، از نخ های دارای 2 تا 4 رشته تشکیل می شد که قطر آنها کمتر از یک هزارم اینچ بود.
چانگ می گوید: "روشی که آنها به منظور جمع آوری این اطلاعات استفاده کرده اند، روش راحتی نبوده است".
در گروه نهایی آزمایش ها، چاو و همکارانش مراکز باد را در مزرعه اندازه گیری کردند. چاو اعتقاد دارد که عنکبوت ها ممکن است از درافت پایین به بالایی استفاده کند که بوسیله ی اعوجاج ایجاد می شود و موجب حرکت آنها به سمت بالا می شود. اندازه گیری های او نشاندهنده ی این است که در چند متر روی زمین، یک چنین درافتی در زمانی متداول است که سرعت های باد نسبتاً پایین است. این مسئله در طی فاز آهسته از نوسانات طبیعی مشاهده می شود. این مسئله توضیح می دهد که چرا عنکبوت ها به ندرت در هوای تند بالن سواری می کنند.
اندی رینولدز می گوید: "عنکبوت ها در هوای گرم و در زمان وزش نسیم ملایم، تمایل دارند تا در هوا پرواز کنند. این فرد یک بیولوژیست در مرکز تحقیقات رودامستد هارپندن انگلیس است که در حقیقت مدل ریاضی مربوط به پرواز عنکبوت ها را ایجاد کرده است. او همچنین می گوید: "چیزی که این تجربیات جدید نشان می دهد، این است که عنکبوت ها از به خودی خود از حرکت در هوا برای کمک به این پرواز، استفاده می کنند".
در کل، یافته ها کمک می کند تا این مسئله مورد تأیید قرار گیرد که راز پرواز عنکبوت ها در حقیقت قطر بسیار ریز مربوط به ابریشمی است که آنها تنیده اند. اجسام بزرگتر در زمانی که در هوا معلق می شوند، اینرسی بیشتری ایجاد می کنند اما در مقیاس نانومتری، اینرسی تارهای ناچیز می شود. در حقیقت اجسام کوچک بوسیله ی نیروی چسبندگی به حرکت در می آیند که به آن نیروی دراگ نیز گفته می شود.
چاو می گوید:" از نقطه نظر ابریشم تارهای عنکبوت باید گفت که: هوا مانند عسل برای تارها عمل می کند".
به دلیل این چسبندگی، حتی یک نیروی بسیار اندک به سمت بالا کافی است تا تار عنکبوت به سمت بالا حرکت کند. این مسئله موجب می شود تا بر نیروی وزن و اینرسی عنکبوت غلبه شود.
این ایده ها قبلا بوسیله ی یک تیم مورد بررسی قرار گرفت که در این تیم تحقیقاتی لنگوآ زو (Longhua Zhao) یک ریاضی دان در دانشگاه وسترن ریسرو کلیولند و لورا میلر، یک بیولوژیست از دانشگاه کارولینای شمالی حضور داشتند.
میلر می گوید: "مدل ما یک حدس و گمان است، بنابراین، بهتر است که این مدل در واقعیت نیز مورد ارزیابی قرار گیرد". زو و میلر برنامه ریزی کرده اند که بر روی یافته های چاو کار کنند.
برخلاف پرواز هواپیما و پرندگان، پرواز عنکبوت ها نیازمند انرژی اندکی می باشد و گاها نیازی به انرژی نیز ندارد. در واقع همه چیز را باد مهیا می کند. اگر مهندسین بتوانند مزیت های یک چنین مکانیزمی را بدست آورند، می توانند به صورت بالقوه ربات های پرنده ی کوچکی بسازند که دارای بازده بسیار بالایی هستند.
اما برای چاو، این تحقیق به دلیل کاربرد عملی، ارزشمند است. این تحقیق در حقیقت چشم های او را به سمت نوع جدیدی از شگفتی طبیعی، باز کرد.
چاو می گوید: "قبل از اینکه این تحقیق را شروع کنم، من نمی دانستم که عنکبوت ها نیز پرواز می کنند". اما در حقیقت، این نوع از پدیده ها، که در حقیقت پدیده های جالب توجهی هستند، برخی اوقات مانند یک معما و یا یک مورد عجیب و غریب تلقی می شوند".
استفاده از مطالب این مقاله با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع تحقیق :
https://www.insidescience.org