Lessen uit hoe libellen zichzelf herstellen terwijl ze vallen

Met hun gestrekte lichamen, immense spanwijdte en iriserende kleuren zijn libellen een uniek gezicht. Maar hun originaliteit houdt niet op bij hun uiterlijk:als een van de oudste insectensoorten ter wereld zijn ze een vroege vernieuwer van luchtvluchten.

Nu heeft een groep onder leiding van Jane Wang, hoogleraar mechanische en ruimtevaarttechniek aan de Cornell University College of Engineering, de ingewikkelde fysica en neurale controles ontward die libellen in staat stellen zichzelf op te richten terwijl ze vallen.

Het onderzoek onthult een keten van mechanismen die begint met de ogen van de libel - alle vijf - en doorloopt in zijn spieren en vleugelspits.

De paper van het team, "Recovery Mechanisms in the Dragonfly Righting Reflex", werd op 12 mei gepubliceerd in Science . Wang was co-auteur van het artikel met James Melfi, Ph.D., en Anthony Leonardo van het Howard Hughes Medical Institute (HHMI) in Ashburn, Virginia.

Al twee decennia gebruikt Wang complexe wiskundige modellering om de mechanica van insectenvluchten te begrijpen. Voor Wang is natuurkunde net zo belangrijk als genetica bij het verklaren van de evolutie van levende organismen.

“Insecten zijn de meest voorkomende soort en waren de eersten die het vliegen in de lucht ontdekten. En libellen zijn enkele van de oudste insecten, 'zei Wang. "Proberen te kijken hoe ze zichzelf in de lucht rechtzetten, zou ons inzicht geven in zowel de oorsprong van de vlucht als hoe dieren neurocircuits ontwikkelden om in de lucht te balanceren en door de ruimte te navigeren. Hun trajecten zijn complex en onvoorspelbaar. Libellen maken voortdurend manoeuvres, zonder een duidelijke richting te volgen. Het is mysterieus.”

Om deze vluchtdynamiek en de interne algoritmen die ze beheersen te bestuderen, ontwierp het team een ​​gecontroleerd gedragsexperiment waarin een libel ondersteboven van een magnetische ketting zou worden gedropt - een uitgangspunt dat lijkt op de beroemde vallende kattenexperimenten uit de jaren 1800 die lieten zien hoe bepaalde "hardwired reflexen" zorgden ervoor dat de katten op hun voeten landden. Ze ontdekten dat door een libel voorzichtig los te laten zonder beencontact, de verwarrende manoeuvres van het insect eigenlijk hetzelfde bewegingspatroon volgden, dat de onderzoekers konden vastleggen met drie hogesnelheidsvideocamera's die filmden met 4.000 frames per seconde. Er werden markeringen op de vleugels en het lichaam van de libel geplaatst en de bewegingen werden gereconstrueerd via 3D-trackingsoftware.

De onderzoekers moesten rekening houden met tal van factoren - van de onstabiele aerodynamica van vleugel- en luchtinteracties tot de manier waarop het lichaam van een libel reageert op het klapperen van zijn vleugels. Er is ook die pietluttige kracht waar alle aardse wezens uiteindelijk mee te maken krijgen:zwaartekracht.

Wang en Melfi waren in staat om een ​​computermodel te maken dat met succes de aerobatics van de libel simuleerde. Maar één belangrijke vraag bleef hangen:hoe weten libellen dat ze vallen, zodat ze hun baan kunnen corrigeren?

Wang realiseerde zich dat, in tegenstelling tot mensen die een traagheidszintuig hebben, libellen kunnen vertrouwen op hun twee visuele systemen - een paar grote samengestelde ogen en drie eenvoudige ogen die ocelli worden genoemd - om hun rechtopheid te meten.

Ze testte haar theorie door de ogen van een libel te blokkeren met verf en het experiment te herhalen. Deze keer had de libel veel meer moeite om halverwege de vlucht te herstellen.

"Deze experimenten suggereren dat visie het eerste en dominante pad is om de oprichtreflex van de libel te initiëren," zei Wang.

Dat visuele signaal activeert een reeks reflexen die neurale signalen naar de vier vleugels van de libel sturen, die worden aangedreven door een reeks directe spieren die de asymmetrie van de linker- en rechtervleugel dienovereenkomstig moduleren. Met drie of vier vleugelslagen kan een tuimelende libel 180 graden rollen en met de goede kant naar boven vliegen. Het hele proces duurt ongeveer 200 milliseconden.

"Wat moeilijk was, was het uitzoeken van de belangrijkste controlestrategie uit de experimentele gegevens," zei Wang. “Het kostte ons veel tijd om het mechanisme te begrijpen waarmee een kleine hoeveelheid toonhoogte-asymmetrie kan leiden tot de waargenomen rotatie. De belangrijkste asymmetrie zit verborgen tussen vele andere veranderingen.”

De combinatie van kinematische analyse, fysieke modellering en 3D-vluchtsimulaties geeft onderzoekers nu een niet-invasieve manier om de cruciale verbanden af ​​te leiden tussen het waargenomen gedrag van een dier en de interne procedures die ze beheersen. Deze inzichten kunnen ook worden gebruikt door ingenieurs die de prestaties van kleine vliegmachines en robots willen verbeteren.

"Flight control op de tijdschaal van tientallen of honderden milliseconden is moeilijk te engineeren," zei Wang. “Kleine klapmachines kunnen nu opstijgen en draaien, maar hebben nog steeds moeite om in de lucht te blijven. Wanneer ze kantelen, is het moeilijk te corrigeren. Een van de dingen die dieren moeten doen, is juist dit soort problemen oplossen.”