Fruchtfliegen verwenden Korrekturbewegungen, um die Stabilität nach einer Verletzung aufrechtzuerhalten

Fruchtfliegen können katastrophale Flügelverletzungen schnell kompensieren, fanden Forscher heraus und behalten die gleiche Stabilität bei, nachdem sie bis zu 40 % eines Flügels verloren haben. Diese Erkenntnis könnte das Design vielseitiger Roboter beeinflussen, die vor der ähnlichen Herausforderung stehen, sich schnell an Pannen im Feld anpassen zu müssen.

Das von der Penn State geführte Team veröffentlichte heute seine Ergebnisse in Wissenschaftliche Fortschritte.

Um das Experiment durchzuführen, veränderten die Forscher die Flügellänge von betäubten Fruchtfliegen, um eine Verletzung nachzuahmen, die fliegende Insekten erleiden können. Anschließend hängten sie die Fliegen in einem Virtual-Reality-Ring auf. Die Forscher ahmten nach, was Fliegen im Flug sehen würden, und spielten virtuelle Bilder auf winzigen Bildschirmen im Ring ab, wodurch sich die Fliegen bewegten, als ob sie fliegen würden.

„Wir haben festgestellt, dass Fliegen ihre Verletzungen kompensieren, indem sie mit dem beschädigten Flügel stärker schlagen und die Geschwindigkeit des gesunden Flügels verringern“, sagte der korrespondierende Autor Jean-Michel Mongeau, Assistenzprofessor für Maschinenbau an der Pennsylvania State University. „Sie erreichen dies, indem sie Signale in ihrem Nervensystem modulieren, wodurch sie ihren Flug auch nach einer Verletzung feinabstimmen können.“

Indem sie mit ihrem beschädigten Flügel stärker schlagen, tauschen Fruchtfliegen etwas Leistung aus – die sich nur geringfügig senkt –, um die Stabilität aufrechtzuerhalten, indem sie aktiv die Dämpfung erhöhen.

„Wenn Sie auf einer asphaltierten Straße fahren, bleibt die Reibung zwischen den Reifen und der Oberfläche erhalten, und das Auto ist stabil“, sagte Mongeau und verglich Dämpfung mit Reibung. „Aber auf einer vereisten Straße gibt es eine verringerte Reibung zwischen der Straße und den Reifen, was zu Instabilität führt. In diesem Fall erhöht eine Fruchtfliege als Fahrer aktiv die Dämpfung mit ihrem Nervensystem, um die Stabilität zu erhöhen.“

Co-Autor Bo Cheng, Penn State Kenneth K. und Olivia J. Kuo Early Career Associate Professor of Mechanical Engineering stellten fest, dass Stabilität für die Flugleistung wichtiger ist als Leistung.

„Unter Flügelschäden würden normalerweise sowohl die Leistung als auch die Stabilität leiden; Fliegen verwenden jedoch einen ‚inneren Knopf‘, der die Dämpfung erhöht, um die gewünschte Stabilität aufrechtzuerhalten, selbst wenn dies zu weiteren Leistungseinbußen führt“, sagte Cheng. „Tatsächlich hat sich gezeigt, dass es tatsächlich die Stabilität und nicht die erforderliche Kraft ist, die die Manövrierfähigkeit von Fliegen einschränkt.“

Die Arbeit der Forscher legt nahe, dass Fruchtfliegen mit nur 200.000 Neuronen im Vergleich zu 100 Milliarden beim Menschen ein ausgeklügeltes, flexibles Motorsteuerungssystem verwenden, das es ihnen ermöglicht, sich anzupassen und nach einer Verletzung zu überleben.

„Die Komplexität, die wir hier bei Fliegen entdeckt haben, wird von keinem bestehenden technischen System erreicht; die Raffinesse der Fliege ist komplexer als bei bestehenden Flugrobotern“, sagte Mongeau. „Auf der technischen Seite sind wir noch weit davon entfernt, das nachzubilden, was wir in der Natur sehen, und dies ist nur ein weiteres Beispiel dafür, wie weit wir gehen müssen.“

Angesichts immer komplexerer Umgebungen stehen Ingenieure vor der Herausforderung, Roboter zu entwickeln, die sich schnell an Fehler oder Pannen anpassen können.

„Fliegende Insekten können das Design von Schlagrobotern und Drohnen inspirieren, die intelligent auf physische Schäden reagieren und den Betrieb aufrechterhalten können“, sagte Co-Autor Wael Salem, Doktorand in Maschinenbau an der Penn State University. „Zum Beispiel das Entwerfen einer Drohne, die einen kaputten Motor im Flug kompensieren kann, oder eines Roboters mit Beinen, der sich auf seine anderen Beine verlassen kann, wenn eines aufgibt.“

Um den Mechanismus zu untersuchen, mit dem Fliegen Flügelschäden im Flug kompensieren, haben Mitarbeiter der University of Colorado Boulder einen Roboterprototyp eines mechanischen Flügels entwickelt, der in Größe und Funktion dem einer Fruchtfliege nahe kommt. Die Forscher zerschnitten den mechanischen Flügel, replizierten die Experimente der Penn State und testeten die Wechselwirkungen zwischen den Flügeln und der Luft.

„Nur mit einem mathematischen Modell müssen wir vereinfachende Annahmen über die Struktur des Flügels, die Bewegung des Flügels und die Wechselwirkungen zwischen Flügel und Luft treffen, um unsere Berechnungen handhabbar zu machen“, sagte Co-Autor Kaushik Jayaram, Assistenzprofessor für Maschinenbau an der University of Colorado Boulder. „Aber mit einem physikalischen Modell interagiert unser Roboterprototyp mit der natürlichen Welt ähnlich wie eine Fliege, die den Gesetzen der Physik unterliegt. Daher erfasst dieser Aufbau die Feinheiten der komplexen Wechselwirkungen zwischen Flügel und Luft, die wir noch nicht vollständig verstehen. „

Neben Mongeau, Cheng, Salem und Jayaram gehören zu den Co-Autoren Benjamin Cellini, Penn State Department of Mechanical Engineering; und Heiko Kabutz und Hari Krishna Hari Prasad, University of Colorado Boulder.