Ilmuwan Ungkap Mekanisme Rahasia Rakit Semut Api

Sebuah studi baru meneliti bagaimana 'rakit' semut berkumpul untuk memastikan kelangsungan hidup selama banjir.

Semut api membentuk rakit untuk bertahan dari banjir, tapi bagaimana cara kerja ikatan ini? Dan apa yang bisa kita pelajari dari mereka? Seorang profesor Universitas Binghamton, Universitas Negeri New York sedang meneliti pertanyaan-pertanyaan ini untuk memperluas pengetahuan kita tentang ilmu material.

Ketika banjir melanda daerah tempat tinggal semut api, respons kelangsungan hidup mereka adalah dengan bersatu membentuk “rakit” terapung yang dapat mengapung dan menjaga koloni tetap utuh. Anggap saja seperti zat kental dan adaptif yang merupakan tempat tinggal bagian-bagian penyusunnya – masing-masing semut –.

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 bermetamorfosis secara mandiri dan mengubah sifat mekaniknya, dan kemudian menggabungkan penemuan paling sederhana dan berguna ke dalam bahan buatan.

“Sistem kehidupan selalu membuat saya terpesona, karena sistem ini mencapai hal-hal yang tidak dapat dicapai oleh material hasil rekayasa kita saat ini – bahkan mendekatinya,” katanya. “Kami memproduksi sistem polimer, logam, dan keramik dalam jumlah besar, namun bersifat pasif. Unsur-unsur penyusunnya 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 ketika diregangkan, dan mereka membandingkan respons rakit ini terhadap polimer dinamis yang dapat menyembuhkan diri 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 bahannya sehingga – alih-alih putus – bahan tersebut mengalir seperti slime yang dimainkan anak-anak kita, atau es krim yang disajikan dengan lembut. Namun jika ditarik terlalu cepat akan lebih retak 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 menyangkal atau menutup perilaku dinamis mereka.

Eksperimen untuk menguji bagaimana rakit semut api merespons beban mekanis saat diregangkan. Kredit: Robert Wagner

Fenomena ikatan yang menjadi lebih kuat ketika ada gaya yang diterapkan pada mereka disebut perilaku ikatan tangkap (capture bond behavior), dan kemungkinan besar akan meningkatkan kohesi koloni, sehingga masuk akal untuk kelangsungan hidup.

“Saat Anda menarik ikatan tertentu dengan kekuatan tertentu, ikatan tersebut akan mengendur lebih cepat, dan masa pakainya berkurang – Anda melemahkan ikatan tersebut dengan menariknya. Itu yang Anda lihat di hampir semua sistem pasif,” kata Wagner. “Tetapi dalam sistem kehidupan, karena kompleksitasnya, terkadang terdapat ikatan yang bertahan lebih lama pada rentang kekuatan tertentu. Beberapa protein melakukan hal ini secara mekanis dan otomatis, namun protein tidak membuat keputusan. Mereka secara sederhana diatur sedemikian rupa sehingga ketika suatu gaya diterapkan, hal itu 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 Alami 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 atau bahan khusus yang disebut elastomer kristal cair dapat menggulung saat dipanaskan, dan lalu saling berbelit-belit hingga membentuk struktur padat seperti yang terinspirasi dari semut ini

“Perkembangan alami dari penelitian ini adalah untuk menjawab bagaimana kita bisa mendapatkan interaksi antara pita-pita ini atau bahan bangunan lunak lainnya untuk 'menangkap' muatan seperti yang dilakukan semut api dan beberapa interaksi biomolekuler,” kata Wagner.

Referensi: “Kinetika ikatan tangkapan memainkan peran penting dalam kohesi rakit semut api berbobot” 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