Forscher der Universität Bristol haben die Funktionsweise der Ultraschallwarntöne entdeckt, die von den Flügeln einer Mottenart erzeugt werden.
Wissenschaftler haben kürzlich herausgefunden, dass Motten der Gattung Yponomeuta (sogenannte Hermelinmotten) einen ganz besonderen akustischen Abwehrmechanismus gegen ihre echolokalisierenden Raubtiere – Fledermäuse – entwickelt haben.
Hermelinmotten erzeugen zweimal pro Flügelschlagzyklus Ultraschall-Klickgeräusche mithilfe einer winzigen gewellten Membran in ihrem Hinterflügel. Bemerkenswert ist, dass diesen Motten die Hörorgane fehlen und sie sich daher ihres einzigartigen Abwehrmechanismus nicht bewusst sind und auch nicht in der Lage sind, ihn durch Muskelkraft zu kontrollieren.
In der Studie, veröffentlicht in Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften, Ein interdisziplinäres Team aus Ingenieuren und Biologen aus Bristol zeigt, wie einzelne Grate eines gewellten Flecks in den Hinterflügeln von Hermelinmotten aufgrund der Flügelfaltung während des Fluges durchbrechen. Das plötzliche Durchbrechen dieser Merkmale versetzt eine benachbarte Membran in Schwingung, wodurch die Stärke und Richtung des erzeugten Klangs erheblich verstärkt wird. Aufgrund seiner passiven Betätigung während des Fluges wird dieses klangerzeugende Organ als „aeroelastisches Becken“ bezeichnet.
Marc Holderied, Professor für Sinnesbiologie an der School of Biological Sciences, erklärte: „Unser Ziel bei dieser Forschung war es zu verstehen, wie sich die Riffelungen in diesen Becken auf choreografierte Weise verbiegen und durchbrechen können, um eine Kette von Breitbandklicks zu erzeugen. Damit.“ In unserer Studie haben wir die Biomechanik entschlüsselt, die die Knicksequenz auslöst, und Aufschluss darüber gegeben, wie die Klickgeräusche durch die Beckenresonanz abgegeben werden.“
Angebundener Flug – Zeitlupenvideo der Tonproduktion während des Fluges von Yponomeuta malinellus. Bildnachweis: Hernaldo Mendoza Nava
Der Erstautor der Studie, Hernaldo Mendoza Nava, der als Doktorand die Mechanik des aeroelastischen Beckens untersuchte. Student am EPSRC Center for Doctoral Training in Advanced Composites for Innovation and Science des Bristol Composites Institute (BCI), sagte: „Die Schallerzeugung und -abstrahlung hängt mit mechanischen Vibrationen zusammen, beispielsweise im Fell einer Trommel oder eines Lautsprechers.“
„Bei Hermelinmotten wirken die durchschnappenden Knickvorgänge wie Trommelschläge am Rand einer Paukentrommel und regen einen viel größeren Teil des Flügels zum Vibrieren und Abstrahlen von Schall an. Dadurch können diese millimetergroßen Pauken am Rand Ultraschallwellen erzeugen.“ gleichwertiges Niveau einer lebhaften menschlichen Konversation.“
Um die Mechanik des aeroelastischen Beckens aufzudecken, kombinierte Hernando modernste Techniken aus der Biologie und der technischen Mechanik. Die biologische Charakterisierung der Morphologie und der Materialeigenschaften des Flügels führte schließlich zu detaillierten Computersimulationen der Schnappreaktion und der Geräuscherzeugung, die aufgezeichneten Mottensignalen in Frequenz, Struktur, Amplitude und Richtung entsprechen.
Rainer Groh, Dozent für Digital Engineering of Structures am BCI, fügte hinzu: „Die Integration verschiedener wissenschaftsübergreifender Methoden mit einem konsistenten Informationsfluss über Disziplingrenzen hinweg im Sinne der ‚Teamwissenschaft‘ hat diese Studie einzigartig und zu einem Erfolg gemacht.“ Darüber hinaus wäre es ohne die erstaunlichen modernen Fähigkeiten in der Bildgebung, Datenanalyse und Berechnung nicht möglich gewesen, die Mechanismen dieses komplexen biologischen Phänomens aufzudecken.“
Die Entdeckung wird Forschern helfen, viele andere Insektenarten mit ähnlichen Geräuscherzeugungsmechanismen zu verstehen und eine Seite der akustischen Abwehr gegen Fledermäuse im Buch über das jahrhundertealte Wettrüsten zwischen echolokalisierenden Fledermäusen und ihrer Insektenbeute zu füllen.
Obwohl es sich um wechselseitige Phänomene handelt, werden Strukturknickung und Schallerzeugung selten gemeinsam untersucht. Darüber hinaus tritt Knickung als plötzliche große Verformung auf, die als formverändernder Mechanismus im Bereich der Morphing-Strukturen attraktiv sein kann, beispielsweise in der Luft- und Raumfahrtindustrie, wo Ingenieure die aerodynamische Leistung von Flügeln optimieren möchten.
Alberto Pirrera, Professor für nichtlineare Strukturmechanik am BCI, kommt zu dem Schluss: „Im Bereich des technischen Designs wurden nichtlineare elastische Reaktionen wie Knick- und Durchbruchinstabilitäten traditionell als zu vermeidende Fehlerarten angesehen. In unserer Forschung haben wir Wir plädieren für einen Paradigmenwechsel und haben gezeigt, dass Knickereignisse strategisch genutzt werden können, um Strukturen mit intelligenter Funktionalität oder verbesserter Masseneffizienz zu versehen. Das aeroelastische Becken von Yponomeuta verkörpert das Konzept der vorteilhaften Nichtlinearität.“
„Die Natur dient wieder einmal als Inspirationsquelle.“
Das Forschungsteam geht davon aus, dass aeroelastische Becken durch Bioinspiration neuartige Entwicklungen im Zusammenhang mit sich verändernden Strukturen, akustischer Strukturüberwachung und weicher Robotik fördern werden.
Mehr Informationen:
Knickinduzierte Klangerzeugung in den aeroelastischen Becken von Yponomeuta, Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften (2024). DOI: 10.1073/pnas.2313549121. doi.org/10.1073/pnas.2313549121