Skomplikowana fizyka lotu ważek

 Dzięki rozciągniętym ciałom, ogromnej rozpiętości skrzydeł i opalizującemu ubarwieniu ważki stanowią wyjątkowy widok. Ale ich oryginalność nie kończy się na wyglądzie: Jako jeden z najstarszych gatunków owadów na naszej planecie, są one wczesnymi wynalazcami lotów powietrznych.

Obecnie grupa kierowana przez Jane Wang, profesor inżynierii mechanicznej i fizyki w Kolegium Sztuki i Nauki, rozwikłała zawiłości fizyki i kontroli neuronalnej, które umożliwiają ważkom wyprostowanie się podczas spadania.

Badania ujawniają łańcuch mechanizmów, który zaczyna się od oczu ważki - wszystkich pięciu - i jest kontynuowany przez jej mięśnie i skoki skrzydeł.

Praca zespołu zatytułowana "Recovery Mechanisms in the Dragonfly Righting Reflex" ukazała się 12 maja w Science. Wang jest współautorem pracy wraz z Jamesem Melfi, Ph.D. '15, i Anthonym Leonardo z Howard Hughes Medical Institute (HHMI) w Ashburn, Virginia.

Od dwóch dekad Wang stosuje złożone modelowanie matematyczne, aby zrozumieć mechanikę lotu owadów. Dla Wanga fizyka jest tak samo ważna jak genetyka w wyjaśnianiu ewolucji organizmów żywych.

"Owady są najliczniej występującymi gatunkami i jako pierwsze odkryły lot w powietrzu. A ważki to jedne z najstarszych owadów" - mówi Wang. "Próba sprawdzenia, w jaki sposób poruszają się one w powietrzu, dałaby nam wgląd zarówno w pochodzenie lotu, jak i w to, w jaki sposób zwierzęta wykształciły obwody nerwowe umożliwiające równowagę w powietrzu i nawigację w przestrzeni".

Projekt rozpoczął się kilka lat temu, kiedy Wang była wizytującym naukowcem w HHMI's Janelia Research Campus, gdzie jej współpracownik Leonardo śledził ważki w 3D na dużej arenie. Wang zainspirowało to do bliższego przyjrzenia się tym ważkom.

"Kiedy przyjrzeliśmy się ich zachowaniu w locie, byliśmy jednocześnie zachwyceni i sfrustrowani" - mówi. "Trajektorie są złożone i nieprzewidywalne. Ważki nieustannie wykonują manewry, nie podążając w żadnym oczywistym kierunku. To jest tajemnicze."

Aby zbadać dynamikę lotu i wewnętrzne algorytmy, które nimi rządzą, Wang i Melfi zaprojektowali kontrolowany eksperyment behawioralny, w którym ważka miała być upuszczona do góry nogami z magnetycznej uwięzi - założenie nie różni się od słynnych eksperymentów z upadającymi kotami z 1800 roku, które pokazały, jak pewne "wrodzone odruchy" powodowały, że koty lądowały na nogach.

Wang i Melfi odkryli, że wypuszczając ważkę ostrożnie, bez kontaktu z nogami, zdumiewające manewry owada faktycznie przebiegały według tego samego schematu ruchu, który badacze byli w stanie uchwycić za pomocą trzech szybkich kamer wideo, filmujących z prędkością 4000 klatek na sekundę. Na skrzydłach i ciele ważki umieszczono znaczniki, a ruchy zrekonstruowano za pomocą oprogramowania do śledzenia 3D.

Potem nastąpiła najtrudniejsza część: próba nadania sensu tym ruchom. Badacze musieli wziąć pod uwagę wiele czynników - od niestabilnej aerodynamiki oddziaływań skrzydeł i powietrza po sposób, w jaki ciało ważki reaguje na trzepot skrzydeł. Do tego dochodzi jeszcze ta przenikliwa siła, z którą wszystkie ziemskie istoty muszą się w końcu zmierzyć: grawitacja.

Wang i Melfi zdołali stworzyć model obliczeniowy, który z powodzeniem symulował akrobacje ważki. Pozostało jednak jedno kluczowe pytanie: Skąd ważki wiedzą, że spadają, i mogą skorygować swoją trajektorię?

Wang zdała sobie sprawę, że w przeciwieństwie do ludzi, którzy mają zmysł bezwładnościowy, ważki mogą polegać na swoich dwóch systemach wizualnych - parze dużych oczu złożonych i trzech prostych oczach zwanych oczodołami - aby ocenić swoją pozycję pionową.

Autorka przetestowała swoją teorię, zasłaniając oczy ważki farbą i powtarzając eksperyment. Tym razem ważka miała znacznie większe trudności z odzyskaniem równowagi w trakcie lotu.

"Eksperymenty te sugerują, że wzrok jest pierwszą i dominującą ścieżką, która inicjuje odruch prostowania u ważki" - powiedziała Wang.

Ta wizualna wskazówka wyzwala serię odruchów, które wysyłają sygnały nerwowe do czterech skrzydeł ważki, które są napędzane przez zestaw bezpośrednich mięśni modulujących odpowiednio asymetrię skoku lewego i prawego skrzydła. Dzięki trzem lub czterem uderzeniom skrzydeł ważka może obrócić się o 180 stopni i wznowić lot na prawą stronę. Cały proces trwa około 200 milisekund.

"Trudne było określenie kluczowej strategii sterowania na podstawie danych eksperymentalnych" - mówi Wang. "Bardzo dużo czasu zajęło nam zrozumienie mechanizmu, dzięki któremu niewielka asymetria skoku może doprowadzić do obserwowanego obrotu. Kluczowa asymetria jest ukryta wśród wielu innych zmian".

Połączenie analizy kinematycznej, modelowania fizycznego i trójwymiarowych symulacji lotu daje obecnie badaczom nieinwazyjny sposób wnioskowania o kluczowych powiązaniach między obserwowanymi zachowaniami zwierząt a wewnętrznymi procedurami, które je kontrolują. Te spostrzeżenia mogą być również wykorzystane przez inżynierów chcących poprawić osiągi małych maszyn latających i robotów.

"Kontrola lotu w skali czasowej dziesiątek lub setek milisekund jest trudna do opracowania" - mówi Wang. "Małe maszyny latające mogą startować i skręcać, ale nadal mają problemy z utrzymaniem się w powietrzu. Kiedy się przechylają, trudno jest to skorygować. Jedną z rzeczy, które muszą robić zwierzęta, jest precyzyjne rozwiązywanie tego typu problemów".

Badania były wspierane przez Janelia Research Campus' Visiting Scientist Program oraz Simons Fellowship in Mathematics.

 Cornell University. David Nutt

businews.pl
itnews24.pl
itlife.pl
ofio.pl
tvtu.pl
focus.pl