Frøer kan give os den næste store opfindelse, inspireret af naturen.
Amerikanske forskere hævder i hvert fald ved hjælp af yderst klistrede eksperimenter at have afsløret hemmelighederne bag, hvordan frøen fanger fluer med tungen.
»I mine drømme forestiller jeg mig en drone, udstyret med en efterligning af frøens tunge, som hurtigt samler tunge pakker op,« siger biologen Alexis Noel ved Georgia Institute of Technology i Atlanta, USA, som har ledet eksperimenterne.
\ Historien kort
- Forskere har for første gang beskrevet fysikken bag frøers og tudsers smarte måde at fange insekter med tungen.
- Hemmeligheden er en kombination af en ekstremt blød tunge, der folder sig om byttet som en dyne og udjævner kraften fra slaget, samt en klistret slim med utrolige egenskaber.
- Principperne kan måske efterlignes til at forbedre kofangere eller inspirere til nye måder at samle genstande eller personer op fra luften
Frøernes tunge kan nemlig noget, ingen syntetisk fremstillede materialer magter - den kan skyde frem som en pisk og snappe et flyvende insekt, hurtigere end du blinker med øjet.
Gåden er, hvordan frøtungen undgår, at byttet rekylerer til Langtbortistan, når tungen banker ind i det - som hvis en kæmpe lastbil torpederer en cyklist, hvorefter cyklisten bliver hængende frem for at blive slynget væk.
Nu er det lykkedes Noel og hans kolleger at beskrive fysikken bag frøens fænomenale tungeslasker.
»Det er en rigtig interessant artikel og utroligt, hvad frøer og tudser kan finde ud af. Jeg synes, at der er store perspektiver i frøernes gribemekanisme, som kombinerer tungens og spyttets særlige egenskaber - jeg kunne forestille mig, princippet kan anvendes ved helikopter-redningsaktioner,« siger lektor Torben Lenau fra DTU Mekanik på Danmarks Tekniske Universitet, som forsker i materialer inspireret fra naturen, bionik, men ikke har været med i studiet.
\ Læs mere
Studiet er netop offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Journal of the Royal Society Interface.
Laboratoriet for slangerobotter og elefanttoiletter
Frøer og tudser er eksperter i at fange bytte med tungen, og flere end 4.000 arter bruger deres tunge som lynhurtigt og effektivt fangstredskab.
De fleste snupper små insekter og orm, men nogle arter går ikke af vejen for at nappe en lille fugl.
Når man tænker over, hvordan f.eks. tape har svært ved at klistre fast til ru, krøllede eller fjerede overflader, er det forunderligt, hvordan frø- og tudsetunger lykkes med at klistre dyr fast lynhurtigt, og stærkt nok til at trække dem ind i munden, uden de falder af.
For Alexis Noel og kollegerne, der arbejder i professor David Hu's laboratorium ved Georgia Tech, er den slags naturlige gåder en skattekiste af gode ideer, der bare venter på at blive til opfindelser.
De arbejder med alt fra, hvordan ørevoks samler støv til, hvordan spidserne på kattedyrs tunger hjælper med at rense pelsen, til hvordan myrer klynger sig sammen til tømmerflåder. Forskningen har allerede ført til flere opfindelser, inklusiv robotten ScalyBot, der glider frem ved at bevæge sine slangelignende skæl, samt et toilet, inspireret af elefanter.
Man kommer ud for lidt af hvert i laboratoriet, og som Alexis Noel fortæller:
»De seneste fire år har jeg brugt mangen sen time på at lokke en frø til at spise en fårekylling og række tunge til kameraet.«
Det begyndte med en viral video
Studiet begyndte, da Alexis Noel og medforfatteren Mark Mandica morede sig over en fjollet YouTubevideo med en tyk, grøn frø, der prøver at fange virtuelle myrer på en smartphone-skærm.
»Vi talte om frøtungens særlige egenskaber, og selv om alle vidste, at frøens tunge er klistret, var der endnu ikke nogen, som havde regnet ud, præcis hvordan tungen fanger insekter så hurtigt,« siger Alexis Noel.
Frøens tunge har mange flere finesser end tape
Helt tilbage i 1800-tallet beskrev en forsker, August Waller, hvordan frøtungen er ekstremt elastisk og med en meget klistret overflade.
Siden har forskere sat tal på forskellige af naturens klistermidler og fundet, at frøtungens klisterkræfter er blandt dyrerigets højeste (om end andre arter overgår frøerne), og det har lagt grunden til at sammenligne tungen med tape.
Men forskernes nye, detaljerede studier af slimets og tungens fysiske egenskaber viser, at der er mange flere finesser bag frø-tungens fangstmetode.
Tungen når ud og ind fem gange, mens du blinker
Forskerne begyndte studierne med slowmotion-optagelser af den almindelige laboratoriefrø - den storplettede leopardfrø, Rana pipiens - der fanger fårekyllinger på en snor. (Det var i de sene aftentimer).
Med professionelle high-speed kameraer indfangede de frøtungens bevægelser i super-slowmotion.
Tungen er kun 7 hundrededele sekund om at snappe en fårekylling - til sammenligning er menneskets øje cirka 40 hundrededele om et blink, så i princippet ville frøens tunge kunne nå ud og ind igen 5 gange, mens du blinkede.
Den enorme fart er roden til gåden, for med farten kommer også en ekstrem acceleration - op mod 12G - som insektet for enden af tungen udsættes for, og som tungens egenskaber må kompensere for, hvis den skal holde fast i byttet.
Hvis man er så heldig at have rørt en frøtunge, ved man, at den er ret klistret - lidt ligesom et tyggegummi man træder i - men det er ikke nok i sig selv.
Den blødeste tunge
Forskerne undersøgte tungens fysiske egenskaber, og med et lille, specialfremstillet stempel målte de frø- og tudsetungers blødhed på tværs slægtskaber. Alle har en enormt blød tunge.
»Vi var meget overraskede over, at tungerne var lige så bløde som hjernevæv, og 10 gange blødere end mennesketungen,« siger Alexis Noel.
For biologer er den slags træk på tværs af stamtræet ikke en tilfældighed, men et tegn på, at tungens blødhed har været vigtig gennem evolutionen, og det oplagte bud er, at det hænger sammen med fangstmetoden.
Forskerne opdagede, at blødheden gør tungen i stand til at kompensere for stødet mod byttet ved at optage kollisionskræfterne, ligesom en støddæmper i en bil.
Men ikke nok med det - tungens blødhed gør, at den folder sig som en dyne rundt om insektet og hjælper med at smøre det ind i så meget klistret slim som muligt. Endelig strækker den bløde tunge sig, når der trækkes i slimet, så det er sværere at trække insektet af tungen igen.
Det vigtige var at sørge for, at hver lille slimportion hurtigt blev forseglet, så vand ikke fordampede og fik slimet til at ændre egenskaber.
I alt lykkedes det at høste 0,3 ml, og forskerne målte slimets sejhed til at være omkring 50.000 gange højere end menneskesavl - det er højt, men ikke unormalt for slim, f.eks. har slimet i vores lunger cirka samme sejhed.
\ Læs mere
Slimlaget er som ketchup i en flaske
Det virkelig interessante, forskerne fandt, var, at slimets sejhed ændrer egenskaber, når det bliver revet fra hinanden – en proces, der kaldes ’shear-thinning’ på engelsk.
»Det betyder, at viskositeten (sejheden, red.) bliver mindre, når forskydningskræfterne vokser. Det er meget ligesom ketchup - der gerne vil blive i flasken, men flyder når man giver den et dunk,« siger Alexis Noel.
For frøens evne til at fange bytte er det intet mindre end genialt.
Det betyder nemlig, at i det øjeblik, tungen når byttet og bremser op, forvandles slimet til en tyndtflydende væske, der trænger ind i alle små hjørner og revner, så insektet lynhurtigt bliver helt omsluttet, og når så byttet hives i land, er slimet vendt tilbage til den tilstand med høj viskositet, der binder insektet stærkt til tungen.
\ Læs mere
Bruger øjnene til at skrabe insektet af tungen
Men det sætter også frøen i et dilemma - hvordan skal den nu vriste byttet fri, så den kan sluge det?
Her bliver det rigtig skørt.
»Når insektet er inde i munden, trækker frøen sine øjenæbler tilbage, ned i mundhulen, og skubber insektet af tungen,« siger Alexis Noel.
Øjnene ryger tilbage med så stor fart (omkring 10 cm per sekund), at slimet igen bliver tyndt og vandigt, så insektet simpelthen skrabes af med øjnene og glider lige ned i halsen.
Sådan!
Man kan diskutere, hvor elegant det er, men ingen skal klandre frøerne for at mangle opfindsomhed.
Fra rumklistrer til stødfangere
Forskerne har puttet al deres viden ind i en matematisk model, og det, at frøtungens fysik nu er sat på formler, åbner for nye opfindelser.
Alexis Noel og Torben Lenau ser begge, hvordan mekanismen kan inspirere til at opfinde nye måder at samle pakker eller forulykkede personer op med droner eller helikoptere.
»En anden mulighed er at skabe en mere effektiv kofanger eller andre stødabsorberende mekanismer,« siger Torben Lenau.
Alexis Noel kigger også ud mod stjernerne.
»Eller måske kan studiet give nye metoder til at gribe objekter i rummet,« siger hun.
Kun fantasien sætter grænser, og hvis forskerne er lige så gode som frøen til at tænke ud af boksen - eller skulle man sige ud af øjenhulerne? - er der store opfindelser i vente.
