Стрекозы используют зрение и тонкое управление крыльями, чтобы выпрямиться и лететь правильно.
Стрекозы со своими вытянутыми телами, огромным размахом крыльев и радужной окраской представляют собой уникальное зрелище. Но их оригинальность не ограничивается их внешним видом: как один из старейших видов насекомых на планете, они являются одним из первых новаторов воздушных полетов.
Группа под руководством Джейн Ванг, профессора машиностроения и физики в Колледже искусств и наук, распутала клубок из физики и нейронного управления, которые позволяют стрекозам выправляться во время падения.
Исследование раскрывает цепочку механизмов, которая начинается с глаз стрекозы — всех пяти — и продолжается через мышцы и мах крыльев.
В течение двух десятилетий Ванг использовал сложное математическое моделирование, чтобы понять механику полета насекомых. Для Ванга физика так же важна, как и генетика, в объяснении эволюции живых организмов.
«Насекомые — самые распространенные виды, они первыми открыли для себя воздушный полет. А стрекозы — одни из самых древних насекомых», — сказала Ванг. «Попытка посмотреть, как они выпрямляются в воздухе, даст нам представление как о происхождении полета, так и о том, как у животных развились нейросхемы для балансировки в воздухе и навигации в пространстве».
Проект начался несколько лет назад, когда Ванг была приглашенным ученым в Исследовательском кампусе HHMI (Медицинский институт Говарда Хьюза) Джанелия, где ее коллега Леонардо занимался 3D-отслеживанием стрекоз на большой арене. Ванг захотелось изучить их более внимательно.
«Когда мы смотрели на их поведение в полете, мы были одновременно в восторге и разочаровании», — сказала она. «Траектории сложны и непредсказуемы. Стрекозы постоянно совершают маневры, не следуя какому-то очевидному направлению. Это загадочно».
Чтобы изучить эту динамику полета и управляющие ею внутренние алгоритмы, Ванг и Джеймс Мелфи, доктор философии, разработали контролируемый поведенческий эксперимент, в котором стрекозу сбрасывали вниз головой с магнитной привязи. Исследователи смогли зафиксировать с помощью трех высокоскоростных видеокамер, снимающих со скоростью 4000 кадров в секунду, точно такие же движения и резкие маневры, как и при обычном полёте стрекозы.
На крылья и тело стрекозы были нанесены маркеры, а движения были реконструированы с помощью программного обеспечения для 3D-отслеживания, и затем наступила самая сложная часть: попытка понять смысл движений. Исследователям пришлось учитывать множество факторов — от нестабильной аэродинамики взаимодействия крыльев и воздуха до того, как тело стрекозы реагирует на взмахи крыльев. Есть еще та привередливая сила, с которой в конце концов приходится бороться всем земным существам: гравитация.
Ванг и Мелфи смогли создать вычислительную модель, которая успешно имитировала высший пилотаж стрекозы. Но остался один ключевой вопрос: как стрекозы узнают, что они падают, чтобы скорректировать свою траекторию?
Ванг поняла, что, в отличие от людей, обладающих инерционным чувством, стрекозы могут полагаться на свои две зрительные системы — пару больших сложных глаз и три простых глаза, называемых глазками, — для оценки своего вертикального положения.
Она проверила свою теорию, заклеив стрекозе краской глаза и повторив эксперимент. На этот раз стрекозе было гораздо труднее восстановиться в полете.
«Эти эксперименты показывают, что зрение является первым и доминирующим путем, запускающим восстанавливающий рефлекс стрекозы», — сказал Ван.
Этот визуальный сигнал запускает серию рефлексов, которые посылают нейронные сигналы на четыре крыла стрекозы, которые приводятся в действие набором прямых мышц, которые соответственно модулируют асимметрию высоты левого и правого крыльев. С тремя или четырьмя взмахами крыльев кувыркающаяся стрекоза может перевернуться на 180 градусов и продолжить полет в правильном направлении. Весь процесс занимает около 200 миллисекунд.
«Трудно было определить ключевую стратегию управления на основе экспериментальных данных», — сказал Ван. «Нам потребовалось очень много времени, чтобы понять механизм, с помощью которого небольшая асимметрия высоты может привести к наблюдаемому вращению. Ключевая асимметрия скрыта среди многих других изменений».
Сочетание кинематического анализа, физического моделирования и 3D-симуляции полета теперь дает исследователям неинвазивный способ вывести важные связи между наблюдаемым поведением животного и внутренними процессами, которые его контролируют. Эти идеи также могут быть использованы инженерами, стремящимися повысить производительность небольших летательных аппаратов и роботов.
«Управление полетом в масштабе десятков или сотен миллисекунд сложно спроектировать», — сказал Ван. «Маленькие хлопающие машины теперь могут взлетать и поворачиваться, но им все еще трудно оставаться в воздухе. Когда они наклоняются, это трудно исправить. Одна из вещей, которые должны делать животные, — это точно решать такие проблемы».