Škvoří křídla: Zázrak obcházející matematické zákony

- Příroda autor: Jan Toman

Škvory obvykle bereme za obyčejný, možná trochu otravný, hmyz. Vzrušit nás na nich obvykle dokáže jen hemživá mrštnost, se kterou po odhalení zaplují do nejbližší štěrbiny, a s tím spojené historky o zalézání do uší. Anglický název škvorů, earwig, dokonce můžeme ze staré angličtiny přeložit jako "ušní brouci". Škvoři přitom do uší nezalézají o nic častěji než jakýkoli jiný hmyz a nějaké propichování bubínku klíšťkami na zadečku je holý nesmysl. Tvrdé tvarované štěty slouží škvorům při páření, lovu, nebo obraně. Jazykovědci proto soudí, že známá povídačka vznikla mezi prostým lidem až druhotně a původně dalo název "ušním broukům" něco docela jiného – jejich křídla.

Křídla škvorů popírají zákony matematiky

Křídla škvorů popírají zákony matematiky,zdroj: ThinkStock

Už první pozorovatelé přírody si totiž všimli, že křídla škvorů – třebaže je nepoužívají často – vypadají úplně jinak než křídla ostatních skupin hmyzu. Po bleskovém rozložení připomínají složitý skládaný vějíř ve tvaru lidského ucha. Stejně rychle je ovšem škvoři dokáží zase složit, což jim pomáhá svižně vklouznout do úkrytů v zemi, škvírách, nebo puklinách stromů.

Jak ovšem ukazují nejnovější výzkumy, křídla škvorů nejsou jen tak nějakou raritou. Jak zdokumentovali švýcarští a američtí vědci v nedávném čísle časopisu Science, škvorům se v průběhu evoluce podařilo vyvinout strukturu na samé hranici matematických možností.

Origami mimo lidská pravidla

K popisu různých forem skládání dvourozměrných materiálů, například papírů, látek, nebo právě hmyzích křídel, využívají vědci "teorii origami". Jméno tomuto konceptu dalo japonské umění skládání nejrůznějších motivů z papíru.

Třebaže ale můžeme podobným způsobem poskládat nepřeberné množství forem, některé oblasti pomyslného prostoru všech tvarů nám zůstanou už z principu nepřístupné. Můžeme se například snažit, jak chceme, ale z listu papíru dokonalou kouli neposkládáme. Škvoři si z toho ovšem, jak se zdá, nic nedělají. Jejich křídla totiž dosahují hned několika zdánlivě nemožných stavů!

Co se týče porušení matematických zákonů, na vině samozřejmě nejsou malí zástupci hmyzí říše, ale nedokonalost naší vlastní teorie. Zatímco lidé si hned na začátku ustanovili několik omezení – například že teorie origami bude počítat jen s rovnými překlady a dokonale dvourozměrnými materiály, které nebudou pružit ani ukládat energii – příroda žádná umělá omezení nenasadila. Škvoři proto využívají fyzikálních zákonů "nadoraz".

V plně rozloženém tvaru nejsou škvoří křídla plochá jako list papíru. Jejich klíčová část je, podobně, jako třeba plachta u moderního stanu, napnutá v pyramidálním tvaru. Křídlo je tak jednak uzamknuto ve stavu větší stability, ale zároveň v kloubních spojeních udržuje nemalé množství potenciální energie.

Genialita "vystřelovacího" křídla

Klouby se díky vysokému obsahu pružného proteinu resilinu chovají jako napnuté pružiny. Když škvor usoudí, že je čas přistát, stačí na kritickém místě trochu přitlačit a celé křídlo se během zlomku sekundy složí pod kožnaté krytky. Celý proces trochu připomíná vystřelení skládacího deštníku. Na rozdíl od naší pomůcky do deštivého počasí ovšem slouží ono "vystřelení" švábům ke složení létacího aparátu.

Detaily fungování škvořího křídla jsou ještě úžasnější. V průběhu celého složení nemusí škvor použít jediný sval. Vše probíhá zcela samovolně, jak bylo "předprogramováno" stavbou a strukturou skládaného křídla.

Jednotlivé klouby se navíc podle struktury a umístění resilinu chovají dosti odlišně. Některé skladují energii k prostému stahu, další k rotaci. Nepodivuhodnější na celém procesu je ale patrně fakt, že složené křídlo zabere až osmnáctkrát méně místa než křídlo rozložené. O podobné efektivitě si jiné skupiny živočichů, ale i lidé v nejrůznějších průmyslových aplikacích, mohou nechat jen zdát.

Vědci se nespokojili s pouhou analýzou škvořího "vystřelovacího" křídla, ale popsali jej i z matematicko-fyzikálního hlediska. To jim umožnilo zrekonstruovat jeho nejzajímavější rysy a na 3D tiskárně vytvořit jeho zvětšenou maketu i další užitečné motivy.

Komplexní struktury založené na získaných poznatcích jednou možná pomohou v technologickém průmyslu, robotice, vesmírném výzkumu, nebo medicíně. Umění dostat do lidského těla nebo jiného uzavřeného prostoru maličký objekt, který se následně sám rozvine do finálního tvaru, se totiž ukazuje jako čím dál zásadnější. Škvoří křídla tak umožnila vědcům nahlédnout daleko za omezení daná teorií origami a nasměrovat technologický pokrok dál do 21. století.

Zdroj: JA Faber, AF Arrieta & AR Studart (2018): Bioinspired spring origami. Science, 359.

Tagy: hmyz fyzika zvířata a příroda věda a poznání