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