Антенны помогают мухам «держать курс» при порывах ветра
Исследователи из Калифорнийского технологического института (Caltech) раскрыли механизм «круиз-контроля» плодовой мушки (Drosophila melanogaster) в полете, обнаружив взаимосвязь между ее зрением и ветрочувствительными антеннами.
Эксперимент с порывами ветра
- Вдохновившись более ранними исследованиями 1980-х годов, команда под руководством Майкла Дикинсона решила проверить, как мухи поддерживают скорость полета не только в ровном, но и в резко меняющемся ветре.
- В аэродинамической трубе на мух направляли мощные порывы воздуха от воздушного поршня, достигавшие скорости около 0,5 м/с и распространявшиеся со скоростью звука.
- Положение и траекторию мух в ответ на эти динамические стимулы отслеживали пять цифровых видеокамер, данные с которых обрабатывались в реальном времени.
Неожиданный результат и роль антенн
- Вопреки ожиданиям, мухи в эксперименте ускорялись, когда ветер дул им в спину, и замедлялись, летя навстречу ветру. Лишь со временем они восстанавливали исходную скорость относительно земли.
- Чтобы понять механизм, исследователи отдельно изучили роль зрения и
антенн. Мухам с удаленными антеннами также доставляли сильные порывы
ветра.
- Результат: Мухи без антенн ускорялись лишь наполовину так же сильно, как нормальные мухи, и не могли поддерживать постоянную скорость, резко чередуя ускорение и замедление. Это указало на ключевую роль антенн в получении ветровой информации для регуляции скорости.
Проверка роли зрения
- Чтобы изолировать реакцию глаз, на стены арены проецировали анимацию, которая «обманывала» зрение мухи, создавая иллюзию отсутствия ускорения, в то время как антенны чувствовали увеличение скорости ветра.
- Когда в такой обстановке мухам создавали сильный встречный ветер, они замедлялись и не могли восстановить исходную скорость.
Вывод: совместная работа двух сенсорных систем
Исследование показало, что две системы работают вместе, компенсируя недостатки друг друга:
- Антенны — это быстрый датчик, который мгновенно (в течение ~5 мс) регистрирует изменения скорости ветра и отвечает за первоначальную реакцию (замедление при встречном ветре).
- Зрение — более медленная, но точная система. Оно обрабатывает информацию о скорости относительно земли с задержкой (~30 мс) и помогает мухе в итоге вернуться к крейсерской скорости.
«Это своего рода аккуратный трюк: использование дешевого маленького сенсора для компенсации ограничений большого, тяжелого, дорогого сенсора», — поясняет Майкл Дикинсон.
Практическое применение
Полученные данные могут быть полезны для разработки крошечных летающих роботов (микродронов), которые, как и мухи, будут сильно зависеть от зрения.
- Проблема: Обработка визуальной информации требует много вычислений, но на маленьком роботе невозможно разместить мощный процессор для быстрой обработки.
- Решение: Результаты исследования предполагают, что маленькие летательные аппараты также выиграют от наличия быстрых датчиков ветра, чтобы компенсировать задержку в обработке визуальных данных.
Исследование опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.