Wat Libellen Ons Leren Over Aerodynamische Zelfherstel in Vrije Val

Met hun uitgerekte lichamen, immense vleugelspanwijdte en irislerende kleur, zijn libellen een uniek gezicht. Maar hun originaliteit eindigt niet met hun uiterlijk: Als een van de oudste insektensoorten op de planeet, zijn ze een vroege innovator van luchtvaart.

Nu heeft een groep geleid door Jane Wang, Hoogleraar Mechanische en Luchtvaarttechniek aan de Cornell University College of Engineering, de ingewikkelde fysica en neurale controles ontrafeld die libellen in staat stellen zichzelf te herstellen terwijl ze vallen.

Het onderzoek onthult een keten van mechanismen die begint met de ogen van de libel – alle vijf – en voortgaat door zijn spieren en vleugelhoek.

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

Twee decennia lang heeft Wang complexe wiskundige modellering gebruikt om de mechanica van insectenvlucht te begrijpen. Voor Wang is fysica net zo belangrijk als genetica in het verklaren van de evolutie van levende organismen.

"Insecten zijn de meest voorkomende soorten en waren de eersten die luchtvaart ontdekten. En libellen zijn enkele van de oudste insecten," zei Wang. "Kijken naar hoe ze zich in de lucht herstellen zou ons inzicht geven over zowel de oorsprong van vlucht als hoe dieren neuro-circuitten voor balanceren in de lucht en navigeren door de ruimte zijn geëvolueerd. Hun trajecten zijn complex en onvoorspelbaar. Libellen maken constant manoeuvres, zonder een duidelijke richting te volgen. Het is mysterieus."

Om deze vluchtdynamica en de interne algoritmes die ze regeren te bestuderen, ontwierp het team een gecontroleerd gedragsexperiment waarin een libel omgekeerd vanaf een magnetische tether werd gedropt – een premisse niet anders dan de beroemde vallende kat experimenten uit de 1800s die lieten zien hoe bepaalde "hardwired reflexes" resulteerden in katten die op hun poten landden. Ze vonden dat door een libel voorzichtig vrij te laten zonder beencontact, de verwarrende manoeuvres van het insect eigenlijk hetzelfde bewegingspatroon volgden, wat de onderzoekers in staat stelde om vast te leggen met drie high-speed videocamera's die filmden met 4.000 frames per seconde. Markers werden op de vleugels en het lichaam van de libel geplaatst, en de bewegingen werden gereconstrueerd via 3D-tracking software.

De onderzoekers moesten talloze factoren overwegen – van de onstabiele aerodynamica van vleugel-lucht interacties tot de manier waarop een libel's lichaam reageert op zijn vleugelslagen. Er is ook die uitbuitende kracht die alle aardse wezens uiteindelijk moeten tegenkomen: zwaartekracht.

Wang en Melfi waren in staat een computationeel model te creëren dat de aerobatics van de libel succesvol simuleerde. Maar één sleutelvraag bleef: Hoe weten libellen dat ze vallen, zodat ze hun traject kunnen corrigeren?

Wang realiseerde zich dat, in tegenstelling tot mensen die een inerciële zin hebben, libellen kunnen vertrouwen op hun twee visuele systemen – een paar grote samengestelde ogen, en drie eenvoudige ogen genaamd ocelli – om hun oprechtheid te beoordelen.

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 in de vlucht te herstellen.

"Deze experimenten suggereren dat zicht de eerste en dominante pathway is om de rechtingsreflex van de libel te initiëren," zei Wang.

Die visuele cue triggert een reeks reflexen die neurale signalen naar de vier vleugels van de libel sturen, die gedreven worden door een set directe spieren die de linker- en rechtervleugelhoek-asymmetrie moduleren. Met drie of vier vleugelslagen kan een tollende libel 180 graden rollen en het vliegen hervatten met de buik naar beneden. Het hele proces duurt ongeveer 200 milliseconden.

"Wat moeilijk was, was het bepalen van de sleutelcontrolestrategie uit de experimentele data," zei Wang. "Het kostte ons heel lang om het mechanisme te begrijpen waarmee een kleine hoeveelheid hoekasymmetrie kan leiden tot de waargenomen rotatie. De sleutelasymmetrie is verstopt tussen veel andere veranderingen."

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

"Vluchtcontrole op de tijdschaal van tientallen of honderden milliseconden is moeilijk te engineeren," zei Wang. "Kleine flapper-machines 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 deze soort problemen precies oplossen."