05/08/2024
Door Ad Spijkers
Vogels, vleermuizen en bijen gebruiken verschillende spieren om hun vleugels in en uit te klappen. Maar bij kleinere insecten kan dat anders zijn.
Japanse neushoornkevers gebruiken passieve mechanismen om vleugels in en uit te klappen in plaats van spieren. Dit ontdekten wetenschappers van de École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) passieve mechanismen. De bevindingen inspireerden hen om een nieuwe microrobot te ontwikkelen, die een eenvoudige, maar effectieve, benadering demonstreert voor het ontwerp van insectachtige vliegende micromachines.
Kevers tonen een complex voorbeeld van een vliegmechanisme, met een paar stijve dekvleugels en een paar opvouwbare, vliezige achtervleugels. In rust zijn de achtervleugels gevouwen onder de beschermende behuizing van de dekschilden. Voor het opstijgen vouwen de dekschilden zich volledig open en laten de achtervleugels los die op een origami-achtige manier worden uitgevouwen.
Uitvouwen en intrekken
Wetenschappers waren het er niet over eens of ze inderdaad spieren gebruiken om hun vleugels aan te drijven. Ondanks onderzoek naar de achtervleugels van de kevers konden studies niet verduidelijken hoe ze worden aangedreven. Wetenschappers van EPFL hebben onthuld dat de achtervleugels van kevers passief worden uitgevouwen en ingetrokken. Met behulp van een combinatie van hogesnelheidscamera's en tests op robotmodellen laten ze zien dat de achtervleugels de harde dekvleugel gebruiken om uit te vouwen en in te trekken, terwijl het klappen de vleugels dwingt om uit te vouwen.
De bevindingen kunnen nuttig zijn om nieuwe microrobots te ontwerpen die in beperkte ruimtes kunnen vliegen. De onderzoekers gebruikten de nieuw verworven kennis om een fladderende microrobot te testen die een soortgelijk passief mechanisme gebruikt om op te stijgen, te vliegen en te landen.
De studie laat zien dat natuurlijke evolutie controlesynergieën en fysieke interacties benut om complexiteit te verminderen, energie te besparen en veerkracht te verkrijgen. Dit in tegenstelling tot de veronderstelling dat elke beweging een speciaal mechanisme vereist. In eerdere studies is de origami-achtige vouw van de achtervleugels van de kevers uitgebreid onderzocht, ervan uitgaande dat de borstspieren hun uitvouwing en intrekking aandrijven. De grootste uitdaging was om aan te tonen dat spieren niet betrokken zijn bij het vleugelontplooiingsproces bij de achtervleugelbases van de kevers.
Onderzoek
De onderzoekers aan de EPFL pakten het probleem aan door het achterlijf van een Japanse neushoornkever (Allomyrina dichotoma) aan een bevestigingspunt te bevestigen. Ze legden de vleugelbeweging vast met drie gesynchroniseerde hogesnelheidscamera's (met een framesnelheid van 2000 frames per seconde).
De beelden laten zien dat, zodra de dekschilden opengaan, ze de gedeeltelijke ontplooiing van de achtervleugels van het lichaam activeren. In een tweede moment begint de kever te fladderen en dit induceert de opheffing van de achtervleugelbasis en volledige ontvouwing van de vleugels. Onderzoekers suggereren dat, in plaats van spieren, voorgeladen energie in de dekschilden een veerachtige ontplooiing van de achtervleugels induceert, terwijl de volledige vleugelontplooiing mogelijk wordt aangestuurd door de middelpuntvliedende kracht van het fladderen.
Klapmechanisme
Om te bewijzen dat er geen spieren bij betrokken zijn, verwijderden wetenschappers voorzichtig een achtervleugel van de kever en bevestigden deze aan een kruk van een speciaal gebouwd klapmechanisme, dat ook vrije elevatiebeweging mogelijk maakt. Door het klapperen van de achtervleugel te activeren met ongeveer 38 vleugelslagen per seconde (vergelijkbaar met die van de Japanse neushoornkever) observeerden wetenschappers dezelfde elevatie- en ontvouwingsprocessen als bij de insecten.
Hogesnelheidscamera's lieten ook zien hoe de dekschilden na de vlucht de vleugels terugduwden om te rusten. Omdat de achtervleugel open bleef en niet kon worden ingetrokken door het verwijderen van een kant van de dekschilden, suggereren wetenschappers dat de dekschilden, en niet de spieren, de intrekking van de vleugels veroorzaken.
De bevindingen vergroten het begrip van voortbewegingsstrategieën bij insecten. Ze brengen de wetenschap een stap dichter bij de implementatie ervan in het ontwerp van kleine vliegende microrobots, waardoor ze nog meer op insecten lijken.
EPFL-wetenschappers hebben het principe van passief mechanisme al vertaald naar een nieuwe microrobot van 18 g. Daarin activeert een motor het flapperen en de passieve inzet van 20 cm brede vleugels, wat opstijgen en een stabiele vlucht mogelijk maakt. Bij het uitschakelen van het flapperen trekt de robot de vleugels snel terug tegen het lichaam bij de landing, zonder dat er extra actuatoren nodig zijn. Deze robots zijn een upgrade van bestaande flapperende robots die hun vleugels vast houden in een volledig uitgeschoven configuratie. Ze kunnen met name nuttig zijn in rommelige en beperkte ruimtes.
De wetenschappelijke publicatie vindt u hier.
Foto: EPFL/Hoang-Vu Phan