Zu Beginn der Pandemie erkundete Víctor Ortega-Jiménez Bäche in der Nähe seines Hauses und beobachtete Springschwänze. Die Organismen sind die am häufigsten vorkommenden Nicht-Insekten-Hexapoden auf der Erde, und Ortega-Jiménez vermutete, dass ihre Vermeidung von Raubtieren etwas mit ihrer Fähigkeit zu tun hatte, auf die Wasseroberfläche zu springen und perfekt an derselben Stelle zu landen.
Ortega-Jiménez brachte die Hypothese zurück in sein Labor an der Georgia Tech School of Chemical and Biomolecular Engineering (ChBE). Mithilfe einer Kombination aus computergestützter und robophysikalischer Modellierung sowie Experimenten zur Fluiddynamik konnten die Forscher zum ersten Mal die Mechanik der Springschwanzbewegung sehen. Sie ermittelten, wie Springschwänze ihren Sprung kontrollieren, sich selbst in der Luft aufrichten und auf ihren Füßen landen – alles innerhalb eines Wimpernschlags – und sie effektiv vor Raubtieren schützen.
„Diese außergewöhnlichen Organismen mit einzigartiger Morphologie leben an einem sehr prekären Ort: der Wasseroberfläche“, sagte ChBE-Assistenzprofessor Saad Bhamla. „Wenn sie also aus dem Wasser springen und wieder auf dem Wasser landen, müssen wir die Auswirkungen sowohl der Hydrodynamik als auch der Aerodynamik verstehen. Wie sie fast jedes Mal perfekt auf den Füßen auf der Wasseroberfläche landen, war das Rätsel, das wir in diesem Artikel lösen wollten. „
Ortega-Jiménez, Bhamla und ihre Mitarbeiter stellten diese Forschung in „Directional Takeoff, Aerial Righting, and Adhesion Landing of Semiaquatic Springtails“ vor, veröffentlicht im Proceedings of the National Academy of Sciences.
Springschwänze verstehen
Die Forscher entdeckten, dass Springschwänze aufgrund ihrer Haltung und vor allem wegen ihrer einzigartigen Fortsätze zum Springen und Anhaften so erfolgreich sind. Zuerst stellen sie beim Abheben den Winkel ihres Sprungorgans, der Furcula, ein. Dann ändern sie ihre Haltung in der Luft in eine U-Form, die ein aerodynamisches Drehmoment erzeugt und sie 20 Millisekunden nach dem Sprung, dem schnellsten aller flügellosen Organismen, effektiv selbst aufrichtet. Sie landen auf einem Kollophor, einem wasserhaltenden Anhängsel des Springschwanzes.
Springschwänze gehören zur Familie der Collembolen, Organismen, die dafür bekannt sind, ein hydrophiles Kollophor zu haben, eine röhrenartige Struktur, die einen Wassertropfen hält und an Oberflächen haften kann. Die Forscher stellten fest, dass dieses Kollophor für den Springschwanz unerlässlich ist, um auf der Wasseroberfläche zu gleiten und effektiv auf den Füßen zu landen, ohne zu hüpfen. Mit Hochgeschwindigkeitsbildgebung und einem mathematischen Modell der hydrodynamischen Oszillatorkraft – unter Verwendung von Oberflächenspannung, Trägheit, Auftrieb, Widerstand, Kapillardissipation und Adhäsionskräften – berechneten die Forscher, wie der Springschwanz seinen Kollophor für stabile Landungen nutzt, die Energie durch Kapillarwellen freisetzen .
„Niemand hat jemals experimentell gezeigt, wozu das Kollophor wirklich dient, und wir zeigen, dass es für ihr Überleben ist“, sagte Ortega-Jiménez. „Sie brauchen dies für Stabilität, um ihren Start zu kontrollieren, aber noch wichtiger, wie sie wie ein Akrobat perfekt landen können.“
Nachdem die Forscher den Sprung beobachtet hatten, stellten sie fest, dass Springschwänze ihren Absprungwinkel und ihre Geschwindigkeit kontrollieren konnten. Sie zerlegten es in ein mathematisches Modell, um zu bestimmen, wie genau diese Sprünge in einer Computersimulation waren. Das Modell deutete darauf hin, dass Springschwänze, wenn sie den Winkel ihres Körpers kontrollieren können, mit ihrem Kollophor auf der Wasseroberfläche gleiten können, was Ortegas experimentelle Beobachtungen bestätigt.
Die Forscher untersuchten die Selbstaufrichtungsfähigkeit von Springschwänzen, indem sie tote und lebende Springschwänze in einem Windkanal sowie physikalische Freifallmodelle verwendeten. Sie fanden heraus, dass die U-förmige Haltung der Springschwänze und ein vom Kollophor gesammelter Tropfen die perfekte Landung bewirken.
„Diese Arbeit zeigt, wie wichtig kontrollierte Bewegung für die Flucht und das Überleben von Raubtieren ist“, sagte Kathryn Dickson, Programmdirektorin bei der National Science Foundation, die die Forschung teilweise finanzierte. „Springschwänze hätten nicht zu den am häufigsten vorkommenden Nicht-Insekten-Hexapoden werden können, ohne in der Lage zu sein, ihre turnerähnliche Fluchtreaktion zu kontrollieren. Dieses neue Verständnis der Biomechanik, wie Springschwänze ihren Sprung, ihre Drehung in der Luft, steuern, ist nicht nur faszinierend anzusehen, sondern und sicher auf dem Wasser zu landen, könnte zu Fortschritten in Bereichen von der Robotik bis zur Aerodynamik führen.“
Als nächstes bauten die Forscher in Zusammenarbeit mit dem Team von Professor Jesung-Koh an der Ajou-Universität in Südkorea kleine Roboter, um ihre experimentellen und rechnerischen Beobachtungen in einer physischen Umgebung zu replizieren.
„Es war eine große Herausforderung für springende Roboter, insbesondere in kleinen Maßstäben, ihre Ausrichtung in der Luft zum Landen und Springen zu kontrollieren“, sagte Koh. „Die Ergebnisse dieser Forschung könnten springende Roboter im Insektenmaßstab inspirieren, die in der Lage sind, sicher zu landen und die Fähigkeiten von Robotern in neuen Terrains, wie den offenen Wasseroberflächen in den Seen und Ozeanen unseres Planeten, zu erweitern.“
Die Forscher schufen einen kleinen Roboter mit Schleppklappen, um die Beobachtungen zu validieren, dass ein Kollophor und eine Körperform zum Landen benötigt werden.
„Wir zeigen in drei verschiedenen Fällen, dass der einheimische Roboter außer Kontrolle gerät und unvorhersehbar landet“, sagte Bhamla. „Aber wenn Sie jedes dieser Inkremente hinzufügen, wie die Schleppklappen, zeigen wir, dass der Roboter Stabilität erreichen und auf seinen Füßen landen kann.“
Der Roboter hat eine Erfolgsquote von 75 %, verglichen mit der Erfolgsquote des Springschwanzes von 85 %, was die Ergebnisse signifikant macht. Aber die Ergebnisse könnten Auswirkungen auf mehr als nur Springschwänze haben.
„Wir öffnen jetzt die Büchse der Pandora, was kleinere Tiere tun können“, sagte Ortega-Jiménez. „Es besteht die Überzeugung, dass sie, weil sie winzig sind, nicht so viel Kontrolle haben wie große Tiere. Wir eröffnen also einige Möglichkeiten der Kontrolle in diesem kleinen Maßstab, die Einblicke in die Ursprünge des Fliegens in Organismen geben könnten.“
Mehr Informationen:
Ortega-Jimenez, Victor M., Richtungsstart, Luftaufrichtung und Adhäsionslandung von semiaquatischen Springschwänzen, Proceedings of the National Academy of Sciences (2022). DOI: 10.1073/pnas.2211283119. doi.org/10.1073/pnas.2211283119