Skrzydła owadów pod obserwacją twórców dronów

Skrzydła owadów wyposażone są w system bardzo wielu prostych czujników – sensilli, które pomagają w lataniu, dostarczając m.in. informacji o ułożeniu skrzydeł i ruchu powietrza wokół nich. Dr Jakub Goczał z Uniwersytetu Rolniczego w Krakowie, który opisał takie struktury na skrzydłach maleńkich korników, uważa, że podobne czujniki można będzie wykorzystać np. w dronach.

Skrzydła owadów pod obserwacją naukowców

.Każdy, kto urządzał wieczorne polowanie na brzęczącego nad uchem komara, zdaje sobie sprawę z tego, że owady świetnie manewrują w trakcie lotu. Jeszcze do niedawna wydawało się, że te zwierzęta, aby sprawnie omijać przeszkody i błyskawicznie zmieniać trajektorię lotu, używają wyłącznie oczu. Wiadomo już jednak, że przetwarzanie informacji wzrokowych jest zbyt powolne, żeby można było wyłącznie na tej podstawie korygować trajektorię lotu np. podczas gwałtownego przyspieszania. Poza tym wiele grup owadów świetnie radzi sobie w locie nawet przy słabym oświetleniu.

Pierwszą analizę ewolucyjnego rozwoju na owadzich skrzydłach czujników związanych z lotem, przygotował międzynarodowy zespół kierowany przez dr. inż. Jakuba Goczała z Uniwersytetu Rolniczego w Krakowie. Wyniki opublikowano w „Scientific Reports” wzięli pod uwagę mechanoczułość, czyli zdolność do przekształcenia informacji mechanicznych na określone sygnały nerwowe.

Jako grupę modelową wykorzystali chrząszcze, a konkretnie – korniki. W swojej publikacji naukowcy piszą, że o mechanoreceptorach chrząszczy wiadomo bardzo niewiele, chociaż „chrząszcze stanowią około jednej piątej wszystkich gatunków zwierząt na naszej planecie i wykazują spektakularne modyfikacje aparatu lotu”. Chodzi o to, że u chrząszczy doszło do przekształcenia przednich skrzydeł w utwardzone pokrywy, a także rozwój wyrafinowanego mechanizmu składania tylnego skrzydła.

Technologia inspirowana naturą

.Dlatego zespół wykorzystał nowoczesny mikroskop optyczny 3D oraz skaningową mikroskopię elektronową do opisania u chrząszczy receptorów na skrzydłach. Badacze przeanalizowali, jak u 28 gatunków z grupy korników zmieniała się ilość struktur sensorycznych na skrzydłach w zależności m.in. od wielkości ciała czy stopnia inwestycji w rozwój skrzydeł.

Zidentyfikowano dwa typu funkcjonalne takich czujników. Receptory grzybkowate (campaniform sensilla) monitorują naprężenia błony skrzydła i pozwalają korygować ułożenie skrzydeł. Natomiast włoski czuciowe – receptory włosowate (trichoid sensilla) rozpoznają kierunek i przepływ powietrza oraz pozwalają reagować na podmuchy powietrza. O ile receptory włosowate występowały na skrzydłach w umiarkowanej ilości, zwykle od kilku do kilkudziesięciu sztuk, to receptory grzybkowate okazały się bardzo liczne. U gatunków posiadających największe skrzydła były ich dosłownie setki.

Niektóre receptory były ułożone w sposób uporządkowany, tworząc swoiste pola receptorowe, lub występując w równomiernych odstępach wzdłuż krawędzi natarcia skrzydła czy głównych żyłek. Inne wydawały się być rozłożone losowo.

Okazuje się, że liczba tych czujników rośnie proporcjonalnie do wielkości skrzydła, a historia ewolucyjna ma tu raczej znaczenie drugorzędne. U gatunków posiadających duże skrzydła, niezależnie rozwinęło się więcej mechanoreceptorów.

„Wykorzystanie relatywnie prostych czujników reagujących na bodźce mechaniczne do koordynacji podczas lotu ma szereg plusów. Mechanoreceptory na skrzydłach działają niemal błyskawicznie, natomiast przetwarzanie wizualne obrazów to złożony i bardziej czasochłonny proces” – komentuje dr Jakub Goczał.

Dodaje, że sensille działają tak samo w każdych warunkach oświetlenia, są więc odporne na zakłócenia zewnętrzne. System czujników mechanicznych dostarcza ponadto bardzo precyzyjnej informacji z konkretnych regionów aparatu lotnego, informując o siłach działających na powierzchnię skrzydeł, lokalnych deformacjach skrzydeł podczas lotu oraz kierunku i prędkości przepływu powietrza. Te dane są kluczowe do utrzymania stabilności i precyzyjnego manewrowania w locie. Wzrok dostarcza natomiast bardziej ogólnych informacji o otoczeniu, ale nie jest w stanie tak dokładnie informować o bieżących interakcjach skrzydeł z powietrzem.

Zdaniem dr. Goczała wiedza o mechanoreceptorach owadów może być potencjalnie wykorzystanie m.in. w aeronautyce. „Rozwijająca się w ostatnich latach koncepcja autonomicznych dronów konstruowanych w myśl strategii fly-by-feel (dosłownie: lot przez czucie) odwołuje się właśnie do wykorzystania prostych czujników mechanicznych, analogicznych do tych występujących u owadów latających” – opisuje dr Goczał. Jego zdaniem lepsza wiedza o tym, jak z lataniem radzą sobie różne grupy owadów, może podsunąć inżynierom nowe pomysły, jak budować statki latające.

Jak badania naukowe zmieniają nasz świat

.Profesor nauk technicznych, wiceprzewodniczący Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych (ERC), Andrzej JAJSZCZYK, na łamach „Wszystko co Najważniejsze” twierdzi, że: „Trudno jest przecenić rolę badań naukowych w tym, co osiągnęła nasza cywilizacja. Wyniki pracy naukowców spowodowały, że żyjemy dziś znacznie dłużej niż jeszcze sto lat temu, głód stał się udziałem wyłącznie osób mieszkających w krajach upadłych i nękanych wojnami, podróże po całym świecie są już dostępne prawie dla każdego, przynajmniej w krajach bogatszych, a tania łączność zmieniła życie miliardów ludzi, nawet w najbiedniejszych zakątkach naszego globu. Dzięki badaniom naukowym nie tylko wiemy, jak żyli nasi przodkowie tysiące lat temu, ale także, jak funkcjonują rynki i co wpływa na nasze zbiorowe działania. Nauka służy także zaspokajaniu naszej zwykłej, ludzkiej ciekawości, przy okazji pozwalając odkrywać rzeczy, które dają szanse na zmianę naszego życia na lepsze. Co prawda nie zawsze chcemy czy umiemy skorzystać z tego, co nam podpowiada nauka, ale w krajach, które to potrafią, żyje się na ogół znacznie lepiej niż tam, gdzie badania naukowe się lekceważy”.

„Niestety, coś, co wielu nazywa postępem, ma też swoje ciemne strony. I jakkolwiek wyniki badań naukowych bywają używane także w złej wierze bądź ich niewłaściwe czy po prostu nierozumne zastosowanie prowadzi do opłakanych skutków, to nikt przy zdrowych zmysłach nie kwestionuje konieczności dalszego prowadzenia badań, chociażby po to, by walczyć ze wspomnianymi skutkami” – pisze prof. Andrzej JAJSZCZYK w tekście „Badania naukowe zmieniają nasz świat” – pełen artykuł [LINK]

PAP/Ludwika Tomala/WszystkocoNajważniejsze/eg