Fliegen wie ein Käfer

Wissenschaftler der EPFL haben herausgefunden, dass Nashornkäfer beim Ausbreiten und Einziehen ihrer Flügel eher passive Mechanismen als Muskeln nutzen. Sie nahmen diese Erkenntnisse zum Anlass, einen Mikroroboter zu entwerfen und demonstrierten damit einen einfachen und effektiven Ansatz zur Entwicklung von fliegenden, insektenähnlichen Mikromaschinen.

Vögel, Fledermäuse und Bienen benutzen alle unterschiedliche Muskeln, um ihre Flügel aus- und einzuklappen. Bei kleineren Insekten, die weniger Platz zur Verfügung haben, kann das Prinzip anders sein, und Wissenschaftler fragen sich immer wieder, ob sie Muskeln zur Bewegung ihrer Flügel einsetzen. Käfer sind ein komplexes Beispiel für einen Flugmechanismus mit einem Paar steifer Vorderflügel, den Elytren, und einem Paar faltbarer, membranartiger Hinterflügel.

Trotz jüngster Forschungen an den Hinterflügeln von Käfern konnten die Studien nicht klären, wie diese funktionieren. Wissenschaftler um Dario Floreano von der EPFL haben nun zum ersten Mal enthüllt, dass die Hinterflügel von Käfern passiv aus- und eingefahren werden. Mithilfe von Hochgeschwindigkeitskameras und Tests an Robotermodellen zeigten sie, dass die Hinterflügel beim Aus- und Einfahren von den Elytren unterstützt werden, während das Schlagen die Flügel dazu zwingt, sich zu entfalten. Diese Ergebnisse könnten zur Entwicklung von Mini-Robotern dienen, die in engen Räumen fliegen können. Forscherinnen und Forscher der EPFL haben die neu gewonnenen Erkenntnisse bereits genutzt, um einen flügelschlagenden Miniroboter zu testen, der einen ähnlichen passiven Mechanismus nutzt, um zu fliegen, zu gleiten und zu landen. Ihre Forschung wurde in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.

"Entgegen der Annahme, dass jede Bewegung einen bestimmten Mechanismus erfordert, zeigt diese Studie, dass die natürliche Evolution Kontrollsynergien und physische Interaktionen nutzt, um die Komplexität zu reduzieren, Energie zu sparen und an Widerstandsfähigkeit zu gewinnen", sagt Dario Floreano, Direktor des Labors für Intelligente Systeme an der EPFL. Frühere Forschungen haben sich eingehend mit der Origami-Faltung der Hinterflügel von Käfern befasst, wobei angenommen wurde, dass die Brustmuskeln das Aus- und Einklappen der Flügel antreiben. "Die größte Herausforderung bestand darin, zu zeigen, dass die Muskeln nicht am Prozess der Flügelentfaltung an der Basis der Hinterflügel der Käfer beteiligt sind", sagt Hoang-Vu Phan, Postdoktorand im Team von Dario Floreano und Hauptautor der Veröffentlichung.

Die Forscherinnen und Forscher der EPFL gingen dem Problem nach, indem sie den Hinterkopf des Nashornkäfers Allomyrina dichotoma an einer Vorrichtung befestigten und die Bewegung seiner Flügel mit drei synchronisierten Hochgeschwindigkeitskameras (mit einer Frequenz von 2000 Bildern pro Sekunde) aufnahmen. Die Bilder zeigen, dass die Elytren, sobald sie sich öffnen, die Hinterflügel des Käfers teilweise freigeben. Anschließend beginnt der Käfer mit den Flügeln zu schlagen, wodurch sich die Basis der Hinterflügel hebt und die Flügel vollständig entfaltet werden. Den Forscherinnen und Forschern zufolge bewirkt die in den Elytren vorgespannte Energie die federähnliche Freisetzung der Hinterflügel, während die vollständige Entfaltung der Flügel durch die Zentrifugalkraft der Schläge induziert werden könnte.

Um zu zeigen, dass an diesem Prozess keine Muskeln beteiligt sind, entfernten die Wissenschaftler sorgfältig einen Hinterflügel des Käfers und befestigten ihn an einer Kurbel eines eigens entwickelten Flügelschlagmechanismus, der auch eine freie Aufwärtsbewegung ermöglicht. Durch die Aktivierung des Hinterflügelschlags mit etwa 38 Schlägen pro Sekunde, ähnlich dem des Nashornkäfers, beobachteten die Wissenschaftler die gleichen Auf- und Abwärtsbewegungen wie bei Insekten.

Hochgeschwindigkeitskameras zeigten auch, wie die Elytren nach dem Flug die Flügel in die Ruhestellung zurückschieben. Da beim Zurückziehen einer Elytra der hintere Flügel offen blieb und nicht eingezogen werden konnte, gehen die Wissenschaftler davon aus, dass die Elytra und nicht die Muskeln das Einziehen der Flügel bewirken.

"Diese Ergebnisse ermöglichen uns ein besseres Verständnis der Fortbewegungsstrategien von Insekten und bringen uns der Umsetzung bei der Entwicklung kleiner Flugroboter einen Schritt näher, damit ihr Flug dem von Insekten ähnlicher wird", sagt Hoang-Vu Phan. Die Wissenschaftler der EPFL haben das Prinzip des passiven Mechanismus bereits auf einen neuen, 18 Gramm leichten Miniroboter übertragen. Ein Motor aktiviert das passive Schlagen und Entfalten von 20 cm breiten Flügeln, die das Abheben und einen stabilen Flug ermöglichen. Wird das Flattern deaktiviert, zieht der Roboter beim Landen die Flügel schnell an den Körper zurück, ohne dass zusätzliche Aktuatoren erforderlich sind. "Diese Roboter sind eine Verbesserung der bestehenden Flügelschlagroboter, bei denen die Flügel in einer vollständig ausgefahrenen Konfiguration fixiert bleiben, und könnten besonders in überfüllten und engen Räumen nützlich sein", fügte Hoang-Vu Phan hinzu.