Уникальные механизмы, участвующие в полете комаров, впервые были раскрыты в рамках нового сотрудничества Оксфордского университета, которое может стать основой для будущих аэродинамических инноваций, включая летающие технологии в крошечном масштабе.
Многое известно о поведении комаров, но у ученых уже давно есть вопросы об аэродинамике того, как им удается летать. В прошлом технология не была способна зафиксировать высокоскоростные движения крыльев, но последние достижения науки позволили отслеживать и понимать движения крыльев мух.
В сотрудничестве с Королевским ветеринарным колледжем и Университетом Тиба ученые из Оксфордского факультета зоологии проанализировали каждое движение насекомых, чтобы понять, как комары летают. Хорошо известные переносчики болезней, аномально длинные, узкие крылья комаров и своеобразное поведение при полете отличают их от других насекомых. Мало того, эти крылья при взмахах двигаются вперед и назад примерно 800 раз в секунду - намного быстрее, чем любое другое насекомое сравнимого размера. Чтобы компенсировать эти быстрые движения, их амплитуда взмаха (угол, под которым взмахивает крыло) составляет менее половины от амплитуды любого другого насекомого, измеренного на сегодняшний день.
Используя комбинацию высокоскоростных камер, установленных в миниатюрной киностудии, разработанной специально для проекта и компьютерного моделирования, команда записала тонкие трехмерные движения крыльев комаров и нанесла на карту их сложную аэродинамику. Полет насекомых был запечатлен с помощью восьми камер, каждая из которых записывала 10 000 кадров в секунду.
Используемое оборудование позволило исследователям наблюдать за малейшими движениями насекомого, и эти движения были воспроизведены с помощью компьютерного моделирования, чтобы показать воздушный поток, создаваемый их взмахами крыльев. использование быстрых и точно контролируемых вращений крыльев.
В дополнение к созданию подъемной силы вихрями на передней кромке, которые являются вращательными, пузырьками низкого давления, создаваемыми вдоль края крыла, комары используют два новых аэродинамических механизма, чтобы заставить их летать; вихри на задней кромке и вращательное сопротивление. Вихрь задней кромки - это новая форма «захвата следа», когда комары выравнивают свои крылья с потоками жидкости, которые они создали во время предыдущего взмаха крыла, перерабатывая энергию, которая в противном случае была бы потеряна для окружающей среды.
«Обычный характер коротких и быстрых взмахов означает, что комары не могут полагаться на обычные аэродинамические механизмы, которые используют большинство насекомых и вертолетов», - говорит доктор Ричард Бомфри из Королевского ветеринарного колледжа, который руководил исследованием, опубликованным на этой неделе. в журнале Nature. «Вместо этого мы предсказали, что они должны использовать хитрые трюки, поскольку крылья меняют свое направление в конце каждого полувзмаха».
О проблемах, с которыми пришлось столкнуться в ходе проекта, доктор Саймон Уокер из Оксфордской группы по полетам животных Оксфордского факультета зоологии и соавтор исследования сказал: «Запись комаров во время свободного полета представляет собой огромную техническую проблему из-за из-за их небольшого размера, чрезвычайной частоты взмахов крыльев и наличия больших антенн и ног, которые могут маскировать вид их крыльев.'
Эти новые аэродинамические механизмы помогают объяснить необычную форму крыльев комаров. «У большинства насекомых аэродинамические силы увеличиваются по мере того, как вы двигаетесь по длине крыла, потому что кончик крыла движется быстрее, чем его корень», - говорит доктор Тошиюки Наката из Тибы, который провел компьютерное моделирование. «Однако, используя аэродинамику, основанную на быстром тангаже крыла, сила может создаваться по всей длине. Таким образом, наличие длинного тонкого крыла может увеличить подъемную силу и одновременно снизить стоимость полета.
Понимание механизмов, которые позволяют комарам и другим летающим насекомым летать своим уникальным способом, может помочь в разработке аэродинамических инноваций, таких как летающие технологии в крошечном масштабе, такие как пьезоэлектрические приводы.
Говоря о том, как результаты могут быть использованы в будущих исследованиях, д-р Уокер сказал: «Понимание генетического строения и физиологии комаров говорит нам о том, как они могут летать, но это также первый шаг к понимание почему. У летающих насекомых еще многому можно научиться, и чем больше мы о них узнаем, тем больше у нас шансов понять их поведение при полете, то, как они переносят болезни, и, в конечном счете, как остановить их от этого».