Wie Fruchtfliegen nach einer Verletzung überleben, ist das beste Beispiel dafür, „wie weit wir gehen müssen“

Obwohl Fruchtfliegen nur 200.000 Neuronen im Vergleich zu 100 Milliarden Menschen haben, verfügen sie über ein fortschrittliches, anpassungsfähiges Motorsteuerungssystem, das es ihnen ermöglicht, nach einer Verletzung zu überleben.

Fliegende Insekten können als Inspirationsquelle für den Bau von Schlagrobotern und Drohnen dienen, die sich intelligent an körperliche Schäden anpassen und den Betrieb fortsetzen können. Zum Beispiel eine Drohne zu bauen, die fliegen kann, selbst wenn einer ihrer Motoren kaputt geht, oder einen Roboter mit Beinen, der seine anderen Beine benutzen kann, wenn eines von ihnen aufgibt.

In dieser neuen Studie fanden Forscher heraus, dass Fruchtfliegen, wenn sie bis zu 40 % eines Flügels verlieren, das Problem schnell beheben und so stabil wie zuvor bleiben können. Diese Entdeckung kann nützlich sein, um flexible Roboter zu entwerfen, die auch schnell auf unerwartete Ereignisse im Feld reagieren müssen.

Diese Ergebnisse wurden heute in Science Advances von einem Team unter der Leitung von Forschern der Penn State veröffentlicht.

Betäubte Fruchtfliegen hatten ihre Flügellängen modifiziert, um eine reale Verletzung durch fliegende Insekten zu simulieren, damit das Experiment durchgeführt werden konnte. Die Insekten wurden dann in einem Virtual-Reality-Ring aufgehängt. Mithilfe virtueller Grafiken, die auf winzige Displays im Ring projiziert wurden, konnten die Forscher Fruchtfliegen dazu bringen, sich so zu verhalten, als würden sie fliegen.

Sie „fanden, dass Fliegen ihre Verletzungen ausgleichen, indem sie mit dem beschädigten Flügel stärker schlagen und die Geschwindigkeit des gesunden Flügels verringern“, sagt der entsprechende Autor Jean-Michel Mongeau. „Sie erreichen dies, indem sie Signale in ihrem Nervensystem modulieren, wodurch sie ihren Flug auch nach einer Verletzung feinabstimmen können.“

Wie Fruchtfliegen nach einer Verletzung überleben, ist das beste Beispiel dafür, „wie weit wir gehen müssen“
Wie Fruchtfliegen nach einer Verletzung überleben, ist das beste Beispiel dafür, „wie weit wir gehen müssen“

Durch die aktive Erhöhung der Dämpfung können Fruchtfliegen trotz eines leichten Leistungsabfalls, der durch einen Flügelbruch verursacht wird, ihre Stabilität bewahren.

„Wenn Sie auf einer asphaltierten Straße fahren, bleibt die Reibung zwischen den Reifen und der Oberfläche erhalten, und das Auto ist stabil“, fügt Mongeau hinzu und vergleicht Dämpfung mit Reibung. „Aber auf einer vereisten Straße verringert sich die Reibung zwischen der Straße und den Reifen, was zu Instabilität führt. In diesem Fall erhöht eine Fruchtfliege als Fahrer mit ihrem Nervensystem aktiv die Dämpfung, um die Stabilität zu erhöhen.“

Für eine optimale Flugleistung ist laut Co-Autor Bo Cheng die Stabilität wichtiger als die Leistung.

„Unter Flügelschäden würden normalerweise sowohl die Leistung als auch die Stabilität leiden; Fliegen verwenden jedoch einen „internen Knopf“, der die Dämpfung erhöht, um die gewünschte Stabilität aufrechtzuerhalten, selbst wenn dies zu weiteren Leistungseinbußen führt“, fügt Cheng hinzu. „Tatsächlich hat sich gezeigt, dass es tatsächlich die Stabilität und nicht die erforderliche Kraft ist, die die Manövrierfähigkeit von Fliegen einschränkt.“

Laut der Forschung verfügen Fruchtfliegen trotz nur 200.000 Neuronen im Vergleich zu 100 Milliarden Menschen über ein fortschrittliches, anpassungsfähiges Motorsteuerungssystem, das es ihnen ermöglicht, nach einer Verletzung zu überleben.

„Die Komplexität, die wir hier in Fliegen aufgedeckt haben, wird von keinem bestehenden Engineering-System erreicht; Die Ausgereiftheit der Fliege ist komplexer als bei bestehenden Flugrobotern“, fügte der Autor hinzu. „Auf der technischen Seite sind wir noch weit davon entfernt, das nachzubilden, was wir in der Natur sehen, und dies ist nur ein weiteres Beispiel dafür, wie weit wir gehen müssen.“

Mitarbeiter der University of Colorado Boulder haben einen Roboterflügel aus Kunststoff- und Kartonlaminat entwickelt, um den Mechanismus zu untersuchen, mit dem Fruchtfliegen Flügelschäden im Flug kompensieren. Bildnachweis: Kaushik Jayaram

Ingenieure müssen hart arbeiten, um Roboter herzustellen, die Probleme in immer komplizierter werdenden Umgebungen schnell beheben können.

„Fliegende Insekten können das Design von Schlagrobotern und Drohnen inspirieren, die intelligent auf physische Schäden reagieren und den Betrieb aufrechterhalten können“, fügte Co-Autor Wael Salem hinzu. „Zum Beispiel die Entwicklung einer Drohne, die einen kaputten Motor im Flug kompensieren kann, oder eines Roboters mit Beinen, der sich auf seine anderen Beine verlassen kann, wenn eines ausfällt.“

Ein Roboterprototyp eines mechanischen Flügels, der in Größe und Funktion dem Flügel einer Fruchtfliege ähnelt, wurde von Forschern der University of Colorado Boulder entwickelt, um den Mechanismus zu untersuchen, mit dem Fliegen Flügelschäden während des Fluges korrigieren. Die Forscher schnitten den mechanischen Flügel, simulierten die Versuche der Penn State und untersuchten, wie der Flügel und die Luft interagieren.

„Nur mit einem mathematischen Modell müssen wir vereinfachende Annahmen über die Struktur des Flügels, die Bewegung des Flügels und die Wechselwirkungen zwischen Flügel und Luft treffen, um unsere Berechnungen handhabbar zu machen“, fügte Co-Autor Kaushik Jayaram hinzu. „Aber mit einem physikalischen Modell interagiert unser Roboterprototyp mit der natürlichen Welt ähnlich wie eine Fliege und unterliegt den Gesetzen der Physik. Somit erfasst dieser Aufbau die Feinheiten der komplexen Flügel-Luft-Wechselwirkungen, die wir noch nicht vollständig verstehen.“

Quelle: 10.1126/sciadv.abo0719

Bildnachweis: Jorge GarcÍa/VW Pics/Universal Images Group über Getty


Source: Revyuh by www.revyuh.com.

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