Wirbelkäfer, die am schnellsten schwimmenden Insekten der Welt, erreichen überraschende Geschwindigkeiten, indem sie eine Strategie anwenden, die schnelle Meeressäugetiere und Wasservögel teilen, so eine neue Studie der Cornell University, die frühere Erklärungen der beteiligten Physik neu schreibt.
Die zentimeterlangen Käfer können eine Spitzenbeschleunigung von 100 Metern pro Sekunde und eine Höchstgeschwindigkeit von 100 Körperlängen pro Sekunde (oder einem Meter pro Sekunde) erreichen.
Die Ergebnisse erklären nicht nur die olympischen Geschwindigkeiten des Whirligigs, sondern bieten auch wertvolle Erkenntnisse für bioinspirierte Designer von oberflächennahen Wasserrobotern und unbemannten Booten.
Bisher gingen Forscher davon aus, dass Whirligigs ihre beeindruckenden Geschwindigkeiten durch ein Antriebssystem erreichen, das als widerstandsbasierter Schub bezeichnet wird. Diese Art von Schub erfordert, dass sich die Beine des Insekts schneller als die Schwimmgeschwindigkeit bewegen, damit die Beine überhaupt Schub erzeugen können. Damit der Wirbelkäfer solch hohe Schwimmgeschwindigkeiten erreichen kann, müssten seine Beine mit unrealistischen Geschwindigkeiten gegen das Wasser drücken.
„Es hätte durchaus in Frage gestellt werden können“, sagte Chris Roh, Assistenzprofessor für Biologie und Umweltingenieurwesen. „Der schnellste Schwimmer und der widerstandsbasierte Schub passen normalerweise nicht im selben Satz zusammen.“
Tatsächlich neigen schnell schwimmende Meeressäugetiere und Wasservögel dazu, auf den widerstandsbasierten Schub zugunsten des auftriebsbasierten Schubs, einem anderen Antriebssystem, zu verzichten. Der Befund wurde in einer Studie beschrieben veröffentlicht 8. Januar im Journal Aktuelle Biologie.
Bildnachweis: Cornell University
Mit zwei in unterschiedlichen Winkeln synchronisierten Hochgeschwindigkeitskameras konnten die Forscher einen Wirbel filmen und einen auftriebsbasierten Schubmechanismus bei der Arbeit beobachten. Auftriebsbasierter Schub funktioniert wie ein Propeller, bei dem die Schubbewegung senkrecht zur Wasseroberfläche erfolgt, wodurch der Widerstand eliminiert und ein effizienterer Impuls für eine höhere Geschwindigkeit ermöglicht wird.
„In der Biologie ist es schwierig, Dinge zu drehen“, sagte Roh. „Wir sind Maschinen, die auf Kontraktion basieren. Man könnte also sagen, dass die Beine des Wirbelkäfers teilweise ein Propeller sind, der sich um einen Winkel dreht und sich dann zurückzieht, bevor er zurückgesetzt wird und sich teilweise wieder dreht.“
Zusammen mit den Bein- und Körpergeschwindigkeiten, die aus zwei synchronisierten Kamerabeobachtungen gewonnen wurden, berechnete Sun anhand aerodynamischer Formeln, dass ein auftriebsbasierter Schub den größten Teil der Kraft ausmachte, die für den schnellen Vortrieb des Wirbeligs erforderlich war.
„Es ist nicht viel anders, als wenn ein Flugzeugflügel ein wenig geneigt wäre“, sagte Roh. „Dieser Anstellwinkel ermöglicht es ihm, tatsächlich Auftrieb zu erzeugen.“
Auftriebsbasierter Schub wurde bereits bei großen Organismen wie Walen, Delfinen und Seelöwen identifiziert. „In dieser Arbeit haben wir die Längenskala auf einen Zentimeter erweitert, was bedeutet, dass Wirbelkäfer bei weitem der kleinste Organismus sind, der Auftrieb zum Schwimmen nutzt“, sagte Yukun Sun, ein Doktorand in Rohs Labor und der erste der Arbeit Autor.
„Wir hoffen, dass dies zunächst bioinspirierte Robotik- und andere Ingenieurgemeinschaften anspricht, um die richtige Physik zu identifizieren und dann zu versuchen, diese Physik bei der Entwicklung der Robotik zu bewahren“, sagte Roh.
Die US-Marine hat unbemannte Boote entwickelt, da das traditionelle Schiffsdesign durch die Notwendigkeit eingeschränkt wird, Boote für eine Besatzung gastfreundlich zu gestalten. Durch den Wegfall einer Besatzung können Boote viel kleiner und flexibler sein. Roh glaubt, dass sich die geringe Größe, die schiffsähnliche Form und der auftriebserzeugende Antriebsmechanismus von Whirligigs gut auf die Konstruktion von Roboterschiffen übertragen lassen.
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Yukun Sun et al.: Whirligig-Käfer nutzt auftriebsbasierten Schub für das schnellste Schwimmen von Insekten. Aktuelle Biologie (2024). DOI: 10.1016/j.cub.2023.11.008