Tribological and morphological aspects of the femoro-tibial joint of weevils

Mit dem Aufkommen grüner Energie entsteht der Bedarf an einem grünen Schmiermittel,
um die globalen Nachhaltigkeitsziele zu erreichen. Mein Ziel ist es, eine umweltfreundliche
Lösung zu finden, die die veralteten Standards in der Schmierstoffindustrie ersetzt. Auf der
Suche nach einer Inspiration in der lebenden Natur haben mich die Ähnlichkeiten zwischen
den Gelenken von Gliederfüßern – insbesondere Insekten – und den Gelenken und Lagern
in der Robotik und in Maschinen davon überzeugt, mich nicht nur auf die Schmierung innerhalb
dieser Gelenke zu konzentrieren, sondern mein Forschungsziel auf das gesamte System
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auszuweiten. Die Offenheit der Gelenke von Insekten teilt die Herausforderungen, denen
auch Lager und Gelenke in der Technik ausgesetzt sind, was sie zu einem interessanten
Forschungsobjekt macht, um Anregungen für verbesserte Reibungssysteme zu finden.
In dieser Studie habe ich das Femorotibialgelenk von drei Käferarten (Otiorhynchus sulcatus,
Otiorhynchus salicicola und Coelorrhina aurata) untersucht. Die Käfer wurden als
Forschungsschwerpunkt ausgewählt, weil sie aufgrund ihres gepanzerten Körpers einen engen
Formschluss um ihre Gelenke haben. Um einen tiefen Einblick in das komplexe System
der Gelenke dieser Käfer zu erhalten, habe ich eine Vielzahl von Methoden angewandt.
Ich konzentrierte mich auf den Schmierstoff in ihren Gelenken, seine Herkunft und seinen
Transport. Daher habe ich die tribologischen Eigenschaften des Schmiermittels und der
Mikrostrukturen mit dem Rasterkraftmikroskop charakterisiert und konnte mit Hilfe neuartiger
Methoden wie nanoCT, ergänzt durch FIB und Synchrotron μCT, einen ersten Einblick in
das komplexe Netzwerk, das das Gelenk mit Schmiermittel versorgt, gewinnen. Der Schmierstoff
der kleinen Käfer O. sulcatus und salicicola verdunstet schnell und hinterlässt – wenn
überhaupt – klebrige Schmierstoffflecken mit erhöhtem Reibungskoeffizienten, während sich
der Schmierstoff bei C. aurata mit der Zeit kaum verändert. Die meisten Mikrostrukturen
in den Gelenken sind schuppenförmig angeordnet und bilden Sägezahnstufen. Geht man
von einer Reibungsanisotropie für diese asymmetrischen Strukturen aus, kann man eine autonome
Reinigung der Gelenke vorhersagen. Dieser Prozess wird ermöglicht durch die Strukturen,
die alle nach außen führen, um mögliche Verunreinigungen auszuscheiden. Dabei
könnte der Schmierstoff eine unterstützende Rolle spielen, indem er scharfkantige Verunreinigungen
einschließt, um sie schonend abzutransportieren, während das Schmiermittel
gleichzeitig durch die Bewegung des Käfers gleichmäßig auf den Reibungsflächen verteilt
wird. Unter Ausnutzung der günstigen Geometrie der Gelenke von O. sulcatus konzentriere
ich mich auf diese für die zeitaufwendigen tomographischen Verfahren. Mit Hilfe dieser
Messungen entdeckte ich, dass das in der Chitin-Matrix unter der Reibungsfläche verborgene
Netzwerk zur Versorgung mit Schmiermittel aus zwei verschiedenen Arten von Kanälen
besteht: einem schmalen, langen, durchgehenden Kanal, dessen Ursprung unbekannt ist,
und einem geteilten Kanal, dessen Durchmesser sich ändert und der seinen Ursprung im
Hämocoel im Inneren des Käfers hat und von der Hämolymphe versorgt wird. Der Kanal,
der das Schmiermittel liefert, der Zweck des anderen Kanals sowie die Zusammensetzung des Schmiermittels sind noch nicht vollständig geklärt. Die neuen Erkenntnisse in dieser
Arbeit erweitern das begrenzte Wissen auf dem Gebiet der Gelenke bei Insekten und zielen
darauf ab, neue verbesserte Systeme zu inspirieren. Diese sollten die Auswirkungen
auf die Umwelt verringern, indem sie die durch Reibung verlorene Energie reduzieren und
die Umweltverschmutzer, die in den bestehenden Systemen eingesetzt werden, durch die
Entwicklung eines neuen grünen Schmiermittels verringern. Diese Arbeit soll Biologen bei
der Untersuchung komplexerer Systeme, wie sie bei Gliederfüßern vorkommen, anleiten.
Außerdem soll sie Ingenieure dazu inspirieren, tribologische Systeme nach dem Vorbild der
Natur zu entwickeln.

With the rise of green energy a green lubricant is needed to comply with the global sustainability
goals. I aim to find an environmentally beneficial solution to replace the outdated
standards in the lubrication industry. In my quest to find an inspiration for this in living
nature, the similarities between the joints of arthropods – especially insects – and the joints
and bearings used in robotics and machines convinced me to not only focus on the lubrication
inside these joints but to broaden my research aim to include the complete system.
The openness of the joints in insects share the challenges that bearings and joints in technology
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experience as well, making them an intriguing research object to find inspiration for
improved frictional systems. In this study, I examined the femoro-tibial joint of three beetle
species (Otiorhynchus sulcatus, Otiorhynchus salicicola and Coelorrhina aurata). Beetles have
been chosen as research focus because of their tight form closure around their joints due to
their armored body. In order to obtain a deep insight into the complex system of the joints
of these beetles, I used a multitude of methods. I focused on the lubricant found in their
joints, its origin and its transport. Hence, I characterized the tribological properties of the lubricant
and microstructures with the atomic force microscope and managed to obtain a first
insight into the complex network supplying the lubricant with the help of novel methods like
nanoCT complemented by FIB and synchrotron μCT. The lubricant of the small beetles O.
sulcatus and salicicola evaporates quickly and leaves – if at all – sticky lubricant patches behind
with an increased coefficient of friction, while the lubricant in C. aurata hardly changes
with time. The majority of microstructures in the joints are aligned in an imbricate fashion
forming sawtooth steps. Assuming frictional anisotropy for these asymmetric structures, an
autonomous cleaning of the joints can be predicted, with the structures all leading outwards
to expel possible contaminants. Here the lubricant might play an assisting roll, engulving
sharp contaminants for a damage-free expulsion, while also being spread evenly on the frictional
surfaces by the movement of the beetle. Utilizing the favorable geometry of the joints
of O. sulcatus, I focus on those for the time-consuming tomography techniques. With the
help of these measurements, I discovered that the lubricant supplying network hiding in the
chitin-matrix beneath the frictional surface consists of two different types of canals: one
narrow long continuous canal where the origin is unknown and one divided canal changing
in diameter and originating in the haemocoel on the inside of the beetle being supplied by
haemolymph. The canal supplying the lubricant, the purpose of the other canal, as well as
the composition of the lubricant are not yet fully understood. The new findings in this work
expand the limited knowledge existing in the field of joints in insects and aim to inspire
new improved systems in technology. These should reduce the impact on the environment
by reducing the energy lost to friction as well as reducing the pollinators used in existing
systems by inspiring a new green lubricant. This work might guide biologists in examining
more complex systems found in arthropods. Furthermore, it might encourage engineers to
develop tribological systems inspired by nature.