Sommige insecten kunnen hun vleugels razendsnel slaan zonder daarbij hun brein te gebruiken. Onderzoekers ontdekten hoe dat ooit is ontstaan.

Naast gemeen steken, kan een mug ook hard vliegen; hij slaat zijn vleugels wel 800 maal per seconde. Dat is zo snel dat zijn hersenen niet elke vleugelslag weer een seintje kunnen geven. En dus gebruikt hij die ook niet. Deze manier van vliegen heet asynchroon vliegen. Andere insecten, zoals motten, en ook vogels gebruiken wel hun centrale zenuwstelsel. Dit heet synchroon vliegen. Hoe zijn deze twee vliegtechnieken ooit ontstaan in insecten? Amerikaanse onderzoekers hebben dit met behulp van natuurkundige modellen én vliegende robots onderzocht. De resultaten verschenen in het toonaangevende tijdschrift Nature.

Lees ook:

• Robotvoertuig helpt Dengue-muggen bestrijden in riool
• Drone slaat efficiënter met zijn vleugels dan insecten
• Kolonie mierenrobots overwint obstakels

Veermechanisme

Bij asynchroon vliegen is er sprake van een ontkoppeling van brein en vliegspieren. Die vliegspieren werken dus uit zichzelf. Hoe? Door een soort veermechanisme, waarbij de vleugels direct na het uitstrekken heel snel weer dicht klappen. Een puur natuurkundig fenomeen dus.

Vooral veel kleine insecten maken gebruik van dit trucje. Door hun beperkte grootte zijn hun vleugels anders van vorm. Zulke vleugels moeten enorm snel open en weer dicht geklapt worden om ze genoeg vliegkracht te geven. Maar hun brein kan dat niet bijhouden en dus zijn ze overgegaan op de asynchrone vleugelslag. Alleen voor het opstijgen en landen is nog een seintje van het brein nodig.

De ‘keuze’ voor asynchroon

Er zijn momenteel vier groepen insecten die asynchroon vliegen: bijen, vliegen, kevers (zoals de opstijgende gouden tor hieronder) en halfvleugeligen (waaronder wantsen). Tot nu toe dachten biologen dat elke groep apart op een gegeven moment in de loop der evolutie de ‘keuze’ heeft gemaakt voor de hersenloze vliegtactiek.

Dus vier voorouders, die elk apart van elkaar van synchroon naar asynchroon gingen. Maar klopt dat wel? Een biofysicateam en een roboticateam besloten hun handen ineen te slaan en dat uit te zoeken.

In zijn uppie

Recent hebben wetenschappers ‘familiestambomen’ gemaakt waarop te zien is hoe de verschillende insectengroepen zijn geëvolueerd. Biofysica-onderzoekers van University of California in San Diego bouwden een computermodel van die stambomen en kwamen tot een verrassende conclusie. De kans dat er sprake was van slechts één gezamenlijke voorouder die het asynchroon vliegen ontdekte, schatten zij op 86 procent. Dat moment zou dan rond de 407 miljoen jaar geleden zijn geweest.

Alle daarna komende insectengroepen vlogen dus asynchroon. Een aantal van hen evolueerde vervolgens weer terug naar de synchrone vliegmodus, omdat dat hen toch beter uitkwam. Waaronder de mot. En dat insect ging het robotteam vervolgens verder bestuderen.

Van vliegmodus switchen

Eerst testten de roboticawetenschappers de mechanische eigenschappen van de mot. Hieruit bleek dat de vliegspieren van het diertje de vaardigheid bezit om zowel synchroon als asynchroon te kunnen vliegen. Als hij het dus zou willen, zou hij van vliegmodus kunnen switchen. De bevinding is volgens de onderzoekers bewijs dat de mot afstamt van een asynchroon vliegende voorouder.

Maar nu die robots. Het biofysica-team ontwikkelde op basis van de vergaarde meetgegevens van de geteste mot een wiskundig model van hoe een vluchtsysteem werkt als het beide vliegtactieken kan gebruiken. Met behulp van dat model bouwde het team twee mot-robots.

Asynchrone en synchrone robot

Een van die robots was erg klein (zie foto hieronder en boven dit artikel) en werd aan het flapperen gezet in water. Dit lijkt vreemd, maar de vloeistof biedt dezelfde soort weerstand als lucht geeft aan een piepklein insect met enorme vleugelslagsnelheid. Dit bootste een asynchrone vlucht na.

Een iets grotere robot – meer de omvang van een echte mot – moest gaan vliegen in de lucht en stelde een insect voor die er een synchrone vliegtactiek op na houdt. Hij is gebaseerd op de RoboBee, ontwikkeld door Harvard University. Beide robots lieten zien dat het goed mogelijk was om te switchen van vliegmodus; van synchroon naar asynchroon en weer terug.

Vliegspieren namaken

Dankzij een knap staaltje samenwerking tussen twee onderzoeksvelden weten we nu dus hoe het kan dat je die mug maar niet te pakken krijgt met je vliegenmepper. Hij is mogelijk vliegensvlug geworden dankzij een snelle transitie van synchroon naar asynchroon vliegen.

Uiteraard moeten de resultaten nog verder bevestigd worden. En dat willen de teams nu gaan doen door er een derde onderzoeksveld bij te betrekken: de materiaalkunde. Wetenschappers van dit vakgebied moeten nu materialen gaan ontwikkelen die als een soort spieren kunnen dienen voor de motrobots. Om zo nog beter de verschillende vliegtactieken na te kunnen bootsen.

Hebben mensen nog wat aan dit type onderzoek? Ook dat, want robots die asynchroon kunnen vliegen, zijn behendig en kunnen zich snel aanpassen aan hun aangeving. Dit kan van pas komen bij windvlagen of botsingen. Zulke robots kunnen bijvoorbeeld worden ingezet als weerstation of bij zoekoperaties.

Bronnen: University of California – San Diego, Georgia Institute of Technology via EurekAlert!

Beeld: Erik Jepsen/University of California San Diego

Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Word dan lid van KIJK!