Механосенсорная система на крыльях насекомых может повлиять на будущие конструкции крыльев

Исследователи, изучающие стрекоз, составили наиболее полное описание сенсорной системы крыла насекомого из когда-либо зарегистрированных.

Команда под руководством доктора Хуай-Ти Линя из Департамента биоинженерии Имперского колледжа Лондона изучает, как летающие насекомые отслеживают состояние своих крыльев в реальном времени и реагируют на изменения воздушного потока, исследуя сенсоры на крыле.

Предполагается, что изучение крыльевых сенсоров, используемых насекомыми и другими летающими животными, позволит понять, какая информация критически важна для создания более эффективных крыльев самолетов или других машин, управляющих воздушным потоком.

Крылья животных деформируются, изгибаясь и скручиваясь во время полета, что может увеличивать подъемную силу, облегчать управление и смягчать повреждения. Этот процесс требует наличия механосенсоров, реагирующих на локальный воздушный поток и напряжение на крыле.

Без полной карты сенсорной сети прошлые попытки анализа механики крыла и моделирования стратегий обратной связи, используемых в полете, были в основном гипотетическими.

Чтобы полностью понять, как работают деформируемые крылья, необходимо знать, какие механосенсоры находятся на крыле, как они связаны и распределены.

Исследователи обнаружили удивительно большое количество сенсоров у стрекоз и стрекоз-красоток. Два из 15 изученных видов были тщательно обследованы: стрекоза вида Perithemis tenera (восточная янтарнокрылая) и стрекоза-красотка вида Argia apicalis (синелобая аргия).

По оценкам исследователей, у восточной янтарнокрылой стрекозы на четырех крыльях находится более 3000 крыльевых сенсоров, в то время как у вида стрекозы-красотки их примерно в два раза меньше.

Доктор Линь отметил: "Мы давно знали, что крылья всех летающих животных имеют механосенсоры, и то же самое с насекомыми, но мы были удивлены разнообразием и огромным количеством сенсорных нейронов на крыле. Мы не ожидали найти так много. Содержание нейронов требует значительных метаболических затрат, а это значит, что животное много инвестирует в эту сенсорную систему. Следующий большой вопрос: какую информацию она передает?"

Применение результатов в конструкции крыльев

Второй этап исследования, который продолжается, включает запись нейронных сигналов с крыла при воздействии на него воздушного потока, чтобы расшифровать, что представляют собой эти сигналы во время полета.

Это связано с параллельным третьим этапом, который будет исследовать стратегии, применимые непосредственно к проектированию крыльев, на основе результатов первого этапа о типах сенсоров на крыле и характере его деформации.

Один из примеров, приведенных доктором Линем, — обнаружение сенсора, расположенного в паттерне, который, по-видимому, обнаруживает срыв потока воздуха, ведущий к сваливанию крыла.

Доктор Линь сказал: "То, что мы могли бы внедрить на крылья самолетов, — это паттерн датчиков потока, способных предсказывать, когда и где происходит срыв в реальном времени. Это была бы очень ценная информация для системы управления полетом, потому что крыло обычно способно обнаружить что-то до того, как фюзеляж самолета начнет вибрировать. Размещая сенсоры непосредственно на крыле, можно обнаружить эти явления гораздо раньше, особенно в нестационарном воздушном потоке, который трудно смоделировать и учесть в стандартном контроллере полета".

"Конструкции крыльев важны — от болидов Формулы-1 до ветряных турбин. Мы ожидаем, что биоинспирированное крыльевое зондирование сыграет роль в функциональном дизайне крыльев будущего".

Исследование "Systematic characterization of wing mechanosensors that monitor airflow and wing deformations" Джозефа Фабиана и др. опубликовано в журнале iScience.