Was Libellen über aerodynamisches Selbstaufrichten im Freifall lehren

Mit ihren gestreckten Körpern, enormen Spannweiten und irisierender Färbung sind Libellen ein einzigartiger Anblick. Aber ihre Originalität endet nicht bei ihrem Aussehen: Als eine der ältesten Insektenarten auf dem Planeten sind sie ein früher Innovator des Luftflugs.

Nun hat eine Gruppe unter Jane Wang, Professorin für Mechanical and Aerospace Engineering am Cornell University College of Engineering, die komplexe Physik und neuronale Kontrolle entwirrt, die Libellen befähigt, sich im Fall aufzurichten.

Die Forschung offenbart eine Kette von Mechanismen, die mit den Augen der Libelle beginnt – allen fünf – und über ihre Muskeln und Flügelneigung (Wing Pitch) fortgesetzt wird.

Das Team-Paper „Recovery Mechanisms in the Dragonfly Righting Reflex“ wurde am 12. Mai in Science veröffentlicht. Wang ko-authored mit James Melfi, Ph.D., und Anthony Leonardo vom Howard Hughes Medical Institute (HHMI) in Ashburn, Virginia.

Zwei Jahrzehnte Insektenflug-Forschung

Seit zwei Jahrzehnten nutzt Wang komplexe mathematische Modellierung, um die Mechanik des Insektenflugs zu verstehen. Für Wang ist Physik genauso wichtig wie Genetik, um die Evolution lebender Organismen zu erklären.

„Insekten sind die artenreichsten Spezies und waren die ersten, die Luftflug entdeckten. Und Libellen sind einige der ältesten Insekten“, sagte Wang. „Zu schauen, wie sie sich in der Luft aufrichten, gibt uns Einblick in sowohl den Ursprung des Flugs als auch wie Tiere Neuro-Schaltkreise für Balance in der Luft und Navigation durch Raum entwickelten. Ihre Trajektorien sind komplex und unvorhersagbar. Libellen machen ständig Manöver, ohne offensichtlicher Richtung zu folgen. Es ist mysteriös.“

Experiment: Kontrolliertes Fallen

Um diese Flugdynamik und die internen Algorithmen zu studieren, designte das Team ein kontrolliertes Verhaltensexperiment, in dem eine Libelle kopfüber von einem magnetischen Tether fallen gelassen wurde – eine Prämisse nicht unähnlich den berühmten Fallkatzen-Experimenten aus den 1800ern, die zeigten, wie bestimmte „hardwired Reflexe“ dazu führten, dass Katzen auf den Pfoten landeten. Sie fanden, dass durch vorsichtiges Loslassen ohne Beinkontakt die verwirrenden Manöver der Libelle tatsächlich dem gleichen Bewegungsmuster folgten, das die Forscher mit drei Hochgeschwindigkeitskameras (4.000 fps) einfangen konnten. Marker an Flügeln und Körper ermöglichten 3D-Rekonstruktion via Tracking-Software.

Die Forscher mussten diverse Faktoren berücksichtigen – von instationärer Aerodynamik der Flügel-Luft-Interaktion bis zur Körperreaktion auf Flügelschlagen. Und da ist die penetrante Kraft, der alle irdischen Wesen schließlich begegnen: Gravitation.

Wang und Melfi erstellten ein Computermodell, das die Aerobatik der Libelle erfolgreich simulierte. Aber eine Schlüsselfrage blieb: Wie wissen Libellen, dass sie fallen, um ihre Trajektorie zu korrigieren?

Wang realisierte, dass Libellen – im Gegensatz zu Menschen mit Inertialsinn – auf ihre zwei visuellen Systeme verlassen könnten: ein Paar großer Komplexaugen und drei einfache Augen (Ocelli) – um ihre Aufrechtigkeit einzuschätzen.

Sie testete ihre Theorie, indem sie die Augen einer Libelle mit Farbe blockierte und das Experiment wiederholte. Diesmal hatte die Libelle weit größere Schwierigkeiten, sich midflight zu erholen.

„Diese Experimente deuten darauf hin, dass Vision der erste und dominante Pfad ist, um den Aufrichtreflex der Libelle zu initiieren“, sagte Wang.

Dieser visuelle Cue triggert eine Reihe von Reflexen, die neuronale Signale an die vier Flügel der Libelle senden, die von direkten Muskeln angetrieben werden, die Links- und Rechts-Flügel-Pitch-Asymmetrie entsprechend modulieren. Mit drei bis vier Flügelschlägen kann eine stürzende Libelle 180 Grad rollen und wieder aufrecht fliegen. Der gesamte Prozess dauert ca. 200 Millisekunden.

„Was schwierig war, war die Schlüsselkontrollstrategie aus den Experimentaldaten zu verstehen“, sagte Wang. „Es hat uns sehr lange gedauert, den Mechanismus zu verstehen, durch den eine kleine Pitch-Asymmetrie zur beobachteten Rotation führt. Die Schlüssel-Asymmetrie ist unter vielen anderen Änderungen versteckt.“

Die Kombination aus kinematischer Analyse, physikalischem Modeling und 3D-Flugsimulation gibt Forschern nun einen nicht-invasiven Weg, entscheidende Verbindungen zwischen beobachteten Verhaltensweisen eines Tieres und den internen Prozeduren, die sie steuern, zu inferieren. Diese Insights können auch von Ingenieuren genutzt werden, die die Performance kleiner Flugmaschinen und Roboter verbessern wollen.

„Flugkontrolle im Zeitskalenbereich von Zehnen oder Hunderten Millisekunden ist schwer zu engineer“, sagte Wang. „Kleine Flattermaschinen können jetzt abheben und wenden, haben aber noch Probleme, in der Luft zu bleiben. Wenn sie kippen, ist es schwer zu korrigieren. Eines der Dinge, die Tiere tun müssen, ist genau diese Art von Problemen zu lösen.“