Чему стрекозы учат нас об аэродинамическом самоисправлении в свободном падении

Со своими вытянутыми телами, огромным размахом крыльев и ирисцентивной окраской стрекозы — уникальное зрелище. Но их оригинальность не заканчивается внешностью: как один из старейших видов насекомых на планете, они — ранние новаторы воздушного полета.

Теперь группа под руководством Джейн Ванг, профессора механики и аэрокосмической инженерии в Колледже инженерии Корнельского университета, разобрала сложную физику и нейронный контроль, позволяющие стрекозам исправлять себя во время падения.

Исследование раскрывает цепочку механизмов, начинающуюся с глаз стрекозы — всех пяти — и продолжающейся через мышцы и питч крыльев.

Статья команды «Recovery Mechanisms in the Dragonfly Righting Reflex» опубликована 12 мая в Science. Ванг соавторила с Джеймсом Мелфи, PhD, и Энтони Леонардо из Howard Hughes Medical Institute (HHMI) в Ашберне, Вирджиния.

Два десятилетия Ванг использует сложное математическое моделирование для понимания механики полета насекомых. Для Ванг физика так же важна, как генетика, в объяснении эволюции живых организмов.

«Насекомые — самые многочисленные виды и первыми открыли воздушный полет. Стрекозы — одни из самых древних насекомых», — сказала Ванг. «Попытка посмотреть, как они выпрямляются в воздухе, даст нам инсайт об происхождении полета и о том, как животные эволюционировали нейроцепи для баланса в воздухе и навигации в пространстве. Их траектории сложны и непредсказуемы. Стрекозы постоянно совершают маневры, не следуя никакому очевидному направлению. Это таинственно».

Для изучения этих динамик полета и внутренних алгоритмов, управляющих ими, команда спроектировала контролируемый поведенческий эксперимент, в котором стрекоза ронялась вверх тормашками с магнитной привязки — премью, не в отличие от известных экспериментов с падающими кошками 1800-х, показавших, как определенные «запрограммированные рефлексы» приводят к приземлению кошек на лапы. Они обнаружили, что выпуская стрекозу осторожно без контакта ног, запутанные маневры насекомого на самом деле следовали одному и тому же паттерну движения, который исследователи смогли зафиксировать тремя высокоскоростными камерами, снимающими 4000 кадров в секунду. Маркеры были нанесены на крылья и тело стрекозы, движения реконструированы через 3D-трекинг ПО.

Исследователям пришлось учесть множество факторов — от неустойчивой аэродинамики взаимодействия крыла и воздуха до способа, которым тело стрекозы реагирует на взмахи крыльев. Есть также та надоедливая сила, с которой все земные существа должны в конечном счете считаться: гравитация.

Ванг и Мелфи смогли создать вычислительную модель, успешно симулировавшую аэробатику стрекозы. Но один ключевой вопрос остался: как стрекозы знают, что они падают, чтобы скорректировать траекторию?

Ванг поняла, что в отличие от людей, имеющих инерциальное чувство, стрекозы могут полагаться на свои две визуальные системы — пару больших фасеточных глаз и три простых глаза, называемых оцелли — для измерения их вертикальности.

Она проверила свою теорию, замазав глаза стрекозы краской и повторив эксперимент. На этот раз стрекозе было намного труднее восстановиться в полете.

«Эти эксперименты указывают на то, что зрение — первый и доминирующий путь для инициации рефлекса выпрямления стрекозы», — сказала Ванг.

Этот визуальный сигнал запускает серию рефлексов, посылающих нейронные сигналы к четырем крыльям стрекозы, которые движимы набором прямых мышц, модулирующих асимметрию питча левого и правого крыла соответственно. За три-четыре хода крыльев кувыркающаяся стрекоза может перевернуться на 180 градусов и возобновить полет вверх тормашками. Весь процесс занимает около 200 миллисекунд.

«Трудным было выявить ключевую контрольную стратегию из экспериментальных данных», — сказала Ванг. «Нам потребовалось очень много времени, чтобы понять механизм, которым небольшая асимметрия питча может привести к наблюдаемому вращению. Ключевая асимметрия скрыта среди множества других изменений».

Комбинация кинематического анализа, физического моделирования и 3D-симуляций полета теперь дает исследователям неинвазивный способ выводить критические связи между наблюдаемым поведением животного и внутренними процедурами, контролирующими их. Эти инсайты также могут использоваться инженерами для улучшения производительности маленьких летающих машин и роботов.

«Управление полетом на временной шкале десятков или сотен миллисекунд трудно инженерии», — сказала Ванг. «Маленькие хлопочущие машины сейчас могут взлетать и поворачивать, но все еще имеют трудности с удержанием в воздухе. Когда они наклоняются, трудно скорректировать. Одна из вещей, которые животные должны делать — точно решать такие проблемы».