Стрекозы научат нас выходить из штопора

 

С их вытянутыми телами, огромным размахом крыльев и радужной окраской, стрекозы прекрасное и уникальное зрелище. Но их оригинальность не заканчивается. внешним видом: как одно из древнейших видов насекомых на планете, они являются одними из пионеров и новаторов воздушных полетов.

Группа под руководством Джейн Ван, профессора Машиностроения и аэрокосмической техники в Инженерном колледже Корнельского университета,

распутала сложную физику и нейронные элементы управления, которые позволяют стрекозам правильно вести себя, когда они падают, но не входят в штопор.

 

Исследование раскрывает цепочку механизмов, начиная с глаз стрекозы — все пять

из них — и продолжается через  мышцы и взмах крыла.

Статья группы «Механизмы восстановления и Рефлекс выпрямления стрекозы», была опубликован в мае в Science. Ван написала статью в соавторстве с Джеймсом Мелфи, доктором философии, и Энтони Леонардо из Медицинского института Говарда Хьюза (HHMI) в Эшберн, Вирджиния.

В течение двух десятилетий Ван использует сложные математическое модели для понимания механизма полета насекомых. Для Ван физика так же важна, как генетика в объяснении эволюция живых организмов.

«Насекомые являются наиболее многочисленными видами и были первыми, кто открыл воздушный полет. А стрекозы одни из самых древних насекомых, — сказала Ван. 

«Мы пытались посмотреть, как они прямо в воздухе дают  нам представление

как о происхождении полета, так и о том, как у животных развились нейросхемы для балансировки в воздухе и ориентировки в пространстве. Их траектории сложны и непредсказуемы.

Стрекозы постоянно совершают маневры, не следуя какому-либо очевидному направлению. Их полёты таинственны."

Для изучения динамики полета и внутренних алгоритмов, управляющих полётом, команда разработала контролируемый поведенческий эксперимент в котором стрекозу бросают вниз головой с магнитной привязи что не отличается от знаменитых экспериментов с падающими кошками из 1800-х годов, которые показали, как определенные «зашитые рефлексы» привели к тому, что кошки приземлились на лапы. Они обнаружили, что, осторожно выпуская стрекозу, её маневры  следовали той же модели движения, которую исследователи смогли захватить тремя скоростными видеокамеры, снимающие со скоростью 4000 кадров в секунду. Маркеры были нанесены на стрекозу. крылья и тело, и движения были реконструированы с помощью программного обеспечения для 3D-трекинга.

Исследователям пришлось рассмотреть многочисленные факторы — от нестационарной аэродинамики взаимодействие крыла и воздуха, в пути

тело стрекозы реагирует на взмахи крыльев. Есть еще та привередливая сила, с которой все земные существа должны в конце концов бороться - с гравитацией.

Ван и Мелфи смогли создать вычислительную модель, которая успешно 

имитировала высший пилотаж стрекозы. Ключевой вопрос: как стрекозы

узнают, что падают, чтобы они могли исправить свою траекторию?

Ван поняла, что, в отличие от людей, у которых есть инерционное чувство, стрекозы могли полагаться на свои две зрительные системы — пара больших составных глаза, и три простых глаза, называемых глазками, — для оценки движения.

Группа проверила свою теорию, заблокировав зрение стрекозы и повторив эксперимент.

На этот раз у стрекозы были трудности с восстановлением в полете.

«Эти эксперименты предполагают, что зрение является первым и доминирующим фактором инициации рефлекса выпрямления полёта стрекозы», — сказал Ван.

Визуальный сигнал запускает серию рефлексов, которые посылает нейронные сигналы четырем крыльям, которые приводятся в движение набором прямых

мышц, которые соответственно модулируют левостороннюю и правостороннюю асимметрию высоты. 

Тремя или четырьмя взмахами крыльев, кувыркающаяся стрекоза может

развернуться на 180 градусов и возобновить полет. Весь процесс занимает около 200 миллисекунд.

«Трудно было найти ключ стратегии управления на основе экспериментальных данных», — сказала Ван. «Нам потребовалось очень много времени, чтобы

понять механизм, с помощью которого небольшая асимметрия высоты может привести к наблюдаемому вращению. Ключевая асимметрия скрыта среди многих других изменений».

Сочетание кинематического анализа, физического моделирования и трехмерного моделирования полета теперь дает исследователям неинвазивный способ

установить важнейшие связи между наблюдаемым поведением животного и внутренними механизмами, которые их контролируют.

 Эти идеи также могут быть использованы инженерами, стремящимися

улучшить характеристики полета машин и роботов.

«Управление полетом в масштабе времени десятков или сотен миллисекунд трудно для инженеров, — сказала Ван. «Маленькие машущие машины теперь могут взлетать и поворачивать, но все еще есть проблемы в воздухе. Когда они наклоняются, трудно заставит их вести себя правильно.

 

 Это лишь одна из проблем, которые животные помогут нам решить».

Tech Briefs MAY 26, 2022