Mechanosensorisches System auf Insektenflügeln könnte zukünftige Flügeldesigns beeinflussen

Forscher, die sich mit Libellen befassen, haben die vollständigste Beschreibung eines Insektenflügel-Sensorsystems zusammengestellt, die jemals aufgezeichnet wurde.

Das Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Huai-Ti Lin vom Imperial Department of Bioengineering arbeitet daran, zu verstehen, wie fliegende Insekten den Zustand ihrer Flügel in Echtzeit überwachen und auf Änderungen des Luftstroms reagieren, indem sie Sensoren am Flügel untersuchen.

Es ist vorgesehen, dass die Forscher durch die Untersuchung der Flügelsensoren, die von Insekten und anderen fliegenden Tieren verwendet werden, verstehen können, welche kritischen Informationen erforderlich sind, um effektivere Flügel an Flugzeugen oder anderen Maschinen zu bauen, die den Luftstrom steuern.

Tierflügel verformen sich durch Biegen und Verdrehen während des Fluges auf eine Weise, die den Auftrieb verbessern, die Flugkontrolle erleichtern und Schäden mindern kann; ein Prozess, der Mechanosensoren erfordert, die auf lokale Luftströmungen und Belastungen des Flügels reagieren.

Ohne eine vollständige Karte des sensorischen Netzwerks waren frühere Versuche, die Flügelmechanik zu analysieren und die im Flug verwendeten Rückkopplungssteuerungsstrategien zu modellieren, größtenteils hypothetisch.

Um vollständig zu verstehen, wie verformbare Flügel funktionieren, müssen die Forscher wissen, welche Mechanosensoren sich auf dem Flügel befinden und wie sie verdrahtet und verteilt sind.

Auf den Libellen und Kleinlibellen fand das Forschungsteam eine überraschend hohe Anzahl an Sensoren. Zwei der 15 untersuchten Arten werden gründlich untersucht: die östliche Amberwing-Art (Perithemis tenera) der Libellenart und die Blaustirntänzerin (Argia apicalis) der Libellenart.

Die Forscher schätzen, dass die östliche Amberwing-Libelle mehr als 3.000 Flügelsensoren an ihren vier Flügeln haben würde, während die Jungfernart etwa die Hälfte dieser Zahl hätte.

Dr. Lin sagte: „Wir wissen seit langem, dass die Flügel aller fliegenden Tiere Mechanosensoren haben, und das gilt auch für Insekten, aber wir waren überrascht von der Vielfalt und schieren Anzahl von sensorischen Neuronen, die auf dem Flügel existieren. Wir hatte nicht erwartet, so viele zu finden.

„Die Aufrechterhaltung von Neuronen kostet ziemlich viel Stoffwechselenergie, was bedeutet, dass das Tier viel in dieses sensorische System investiert. Die nächste große Frage ist, welche Art von Informationen es zurückbringt?“

Anwendung der Erkenntnisse auf das Flügeldesign

Die zweite laufende Forschungsphase umfasst die Aufzeichnung neuronaler Signale, die vom Flügel kommen, während ein Luftstrom darüber geleitet wird, um zu entschlüsseln, was diese Signale während des Flugs darstellen.

Dies wird mit einer gleichzeitigen dritten Forschungsphase verbunden, in der Strategien untersucht werden, die direkt auf das Flügeldesign angewendet werden könnten, basierend auf den Erkenntnissen der ersten Stufe zu den Arten von Sensoren, die auf dem Flügel angebracht sind, und wie sich der Flügel verformt.

Ein von Dr. Lin genanntes Beispiel war die Entdeckung eines Sensors, der in einem Muster platziert ist, das scheinbar eine Luftströmungsablösung erkennt, die zu einem Flügelabriss führen kann.

Dr. Lin sagte: „Etwas, das wir an Flugzeugflügeln implementieren könnten, wäre ein Muster von Strömungssensoren, die in Echtzeit vorhersagen können, wann und wo ein Strömungsabriss auftritt.

„Dies wären sehr wertvolle Informationen für die Flugsteuerung, da der Flügel normalerweise in der Lage sein wird, etwas zu erkennen, bevor der Hauptkörper des Flugzeugs zu vibrieren beginnt. Durch die Platzierung von Sensoren direkt am Flügel können Sie diese Dinge insbesondere viel früher erkennen bei instationärem Luftstrom, der im Standard-Flugregler schwer zu modellieren und zu berücksichtigen ist.

„Flügeldesigns sind wichtig, von F1-Autos bis hin zu Windkraftanlagen. Wir erwarten, dass die bioinspirierte Flügelsensorik eine Rolle bei den funktionalen Designs zukünftiger Flügel spielen wird.“

„Systematische Charakterisierung von Flügelmechanosensoren, die Luftströmung und Flügelverformungen überwachen“, von Joseph Fabian et al., ist veröffentlicht in iWissenschaft.