De vlooiensprong als inspiratiebron


Foto: De natuur als uitvinder

Hoewel mensen niet echt ‘elastieke benen’ hebben, zoals de muzikale meezinger over Foxy Foxtrot ons wil doen geloven, zit er toch een kern van waarheid in.

Elastische materialen, zoals elastiekjes en tennisballen, hebben de eigenschap om na vervorming hun oorspronkelijke vorm weer aan te nemen. Een elastiekje uitrekken kost moeite en dus energie. Het elastiekje absorbeert een deel van die energie en slaat dat op als elastische energie. Zodra het elastiekje wordt losgelaten, schiet het weer terug in zijn oorspronkelijke vorm. Voor deze beweging is wederom energie nodig en hiervoor gebruikt het elastiekje de opgeslagen elastische energie.

Tijdens het rennen maken mensen ook gebruik van elastische energie. De elastiekjes worden in dit geval gevormd door de pezen in de onderbenen. Elke keer dat we een voet neerzetten, staat deze even stil en verliest hij dus snelheid die vervolgens weer opgebouwd moet worden. Een deel van de energie uit de snelheid wordt echter als elastische energie opgeslagen in de pezen en helpt de volgende stap aan te drijven, net als bij een stuiterende tennisbal. Onze pezen kunnen niet veel elastische energie opslaan, maar alle beetjes helpen.

De elastische prestaties van kangoeroes zijn daarentegen indrukwekkend: zij hergebruiken tot 90 procent van de bewegingsenergie. Doordat hun pezen erg lang zijn kunnen ze er veel meer elastische energie in opslaan en hoppen daardoor nagenoeg moeiteloos uren door.

Ook door het gebruik van andere materialen kan de energieopslag worden vergoot. Dat is precies wat ‘blade runners’ doen, gehandicapte atleten met beenprotheses gemaakt van materiaal dat meer elastische energie kan opslaan dan pezen. Hierdoor kunnen blade runners in principe met minder moeite rennen, wat discussies oproept of ze mogen meedoen met wedstrijden waar de andere atleten het met hun natuurlijke benen moeten doen.

Maar er is altijd baas boven baas. Hoewel vlooien ons vervullen met hygiënisch afgrijzen en spontaan jeuk oproepen, zijn deze kleine bloedzuigers wel een van de beste hoog- en verspringers ter wereld. Om aan vijanden te ontsnappen en obstakels te overwinnen, kan dit piepkleine insect 200 keer zijn lichaamslengte hoog en ver springen.

Spieren kunnen niet snel genoeg samentrekken om dit enorme springvermogen te genereren. In plaats daarvan bouwt de vlo de benodigde elastische energie relatief langzaam op (laag vermogen) en geeft hem snel vrij (hoog vermogen). Hiertoe drukt een strekspier geleidelijk een elastisch blokje, dat tussen het lijf en de heup van de achterpoten zit, steeds verder samen. Dit blokje bestaat uit resiline, een zeer veerkrachtig eiwit. De in het blokje opgebouwde elastische energie wordt vervolgens ineens vrijgegeven en lanceert de vlo.

Hoe verder de spier het resilineblokje indrukt, hoe meer weerstand het geeft. Om het blokje ver genoeg in te drukken, en om te voorkomen dat de vlo te vroeg ‘afgaat’, heeft het insect een slim vergrendelingsmechanisme (zie illustratie onder). Het dijbeen is onder de vlo gevouwen en moet zich strekken om de sprong aan te drijven. De positie van de strekspier tijdens het indrukken van het blokje houdt het strekken echter tegen. Pas als de strekspier door de ‘trekker’spier aan de andere kant van het gewricht (draaipunt) is getrokken, kan het dijbeen zich strekken en katapulteert de vlo.

Het vlooieneiwit is inmiddels nagemaakt en de synthetische resiline kan bijvoorbeeld worden gebruikt voor elastische materialen in het menselijk lichaam, zoals pulserende slagaders. Ook wordt gewerkt aan mini-robotjes geïnspireerd op de vlo. Toepassingen variëren van het doorzoeken van ingestorte huizen tot spionagedoeleinden. Naar verluidt moeten ze nog wel wat schaven aan hun landing.


De illustratie toont een achterpoot van de vlo, waarmee de vlo springt:
(a) Een spier (fl) trekt het dijbeen (fe) onder de vlo (co = heup, th = lijf). Hierdoor komt de strekspier (ext) rechts van het gewricht (draaipunt O) te liggen.
(b) Als de strekspier zich in deze positie aanspant wordt het blokje resiline (res) ingedrukt.
(c) Om het dijbeen te strekken moet de strekspier zich links van het draaipunt bevinden. Hiervoor zorgt de trekkerspier (tr).
(d) Als de strekspier zich nu spant kan het dijbeen wel rond het draaipunt draaien en zich strekken. Het blokje resiline geeft de opgeslagen elastische energie af.

Foto: Minkyun Noh et al

Gepubliceerd in dagblad Trouw op 24 oktober 2017

Ylva Poelman alias De Bionische Vrouw
E: info@bionicacentrum.nl
T: 06 - 22 79 71 84