Uccelli, pipistrelli e api utilizzano muscoli separati per estendere e ritrarre le ali. Per gli insetti più piccoli e con meno spazio, il principio potrebbe essere diverso e gli scienziati continuano a chiedersi se utilizzino i muscoli per muovere le ali. I coleotteri forniscono un esempio complesso di meccanismo di volo, con una coppia di ali anteriori rigide, le elitre, e una coppia di ali posteriori membranose e pieghevoli: a riposo, le ali posteriori sono ripiegate sotto la guaina protettiva formata dalle elitre; prima del volo, le elitre si aprono completamente per liberare le ali posteriori, che si dispiegano come origami.
Nonostante le recenti ricerche sulle ali posteriori dei coleotteri, non è stato possibile comprenderne il funzionamento. Gli scienziati guidati da Dario Floreano dell’EPFL hanno rivelato per la prima volta che le ali posteriori dei coleotteri si estendono e si ritraggono passivamente. Utilizzando telecamere ad alta velocità e test su modelli robotici, hanno dimostrato che le ali posteriori utilizzano le elitre per estendersi e ritrarsi, mentre il battito costringe le ali a dispiegarsi. Questi risultati potrebbero essere utilizzati per creare mini-robot in grado di volare in spazi ristretti. I ricercatori dell’EPFL hanno già utilizzato le nuove conoscenze per testare un minirobot ad ala battente che utilizza un meccanismo passivo simile per decollare, planare e atterrare. La loro ricerca è stata pubblicata sulla rivista Nature.
"Contrariamente all’ipotesi che ogni movimento richieda un meccanismo specifico, questo studio dimostra che l’evoluzione naturale sfrutta le sinergie di controllo e le interazioni fisiche per ridurre la complessità, risparmiare energia e acquisire resilienza", afferma Dario Floreano, direttore del Laboratorio Sistemi Intelligenti dell’EPFL. Ricerche precedenti hanno studiato a fondo la piegatura a origami delle ali posteriori dei coleotteri, ipotizzando che siano i muscoli toracici a guidarne l’estensione e la retrazione. "La sfida principale è stata quella di dimostrare che i muscoli non sono coinvolti nel processo di apertura delle ali alla base delle ali posteriori dei coleotteri", afferma Hoang-Vu Phan, borsista del team di Dario Floreano e autore principale della pubblicazione.
Per dimostrare che in questo processo non sono coinvolti muscoli, gli scienziati hanno rimosso con cura una delle ali posteriori del coleottero e l’hanno collegata a una manovella di un meccanismo di battito d’ala progettato su misura, che consente anche il libero movimento di elevazione. Attivando il battito dell’ala posteriore a circa 38 battiti al secondo, simile a quello dello scarabeo rinoceronte, gli scienziati hanno osservato gli stessi processi di elevazione e dispiegamento degli insetti.
Le telecamere ad alta velocità hanno anche mostrato come, dopo il volo, le elitre spingano le ali in posizione di riposo. Poiché la rimozione di un’elitra ha lasciato aperta l’ala posteriore, impedendole di ritrarsi, gli scienziati ritengono che siano le elitre, e non i muscoli, a causare la retrazione delle ali.
"Questi risultati ci permettono di comprendere meglio le strategie di locomozione degli insetti e ci avvicinano alla loro implementazione nella progettazione di piccoli robot volanti, in modo che il loro volo assomigli di più a quello degli insetti", spiega Hoang-Vu Phan. Gli scienziati dell’EPFL hanno già trasposto il principio del meccanismo passivo in un nuovo minirobot di 18 grammi. Un motore attiva lo sbattimento e il dispiegamento passivo di ali larghe 20 cm, consentendo all’insetto di decollare e volare stabilmente. Se il meccanismo di sbattimento viene disattivato, il robot ritrae rapidamente le ali contro il corpo quando atterra, senza bisogno di attuatori aggiuntivi. "Questi robot rappresentano un miglioramento rispetto ai robot ad ala battente esistenti che mantengono le ali fisse in una configurazione completamente estesa; potrebbero essere particolarmente utili in spazi ingombrati e ristretti", aggiunge Hoang-Vu Phan.
