Прогуливаясь по кампусу Калифорнийского технологического института, инженер-исследователь Крис Рох (MS '13, PhD '17) случайно увидел пчелу, застрявшую в воде Милликенского пруда. Хотя это было достаточно обыденное зрелище, оно привело Ро и его советника Мори Гариба (доктор философии 1983 г.) к открытию потенциально уникального способа, которым пчелы перемещаются на границе между водой и воздухом.
Ро заметил пчелу во время многолетней засухи в Калифорнии, когда фонтан пруда был выключен, а вода стояла неподвижно. Инцидент произошел около полудня, поэтому верхнее солнце отбрасывало тени от пчелы и, что более важно, волны, взбитые усилиями пчелы, прямо на дно бассейна.
Когда пчела изо всех сил пыталась добраться до края пруда, Ро заметил, что тени на дне бассейна отображают амплитуду волн, создаваемых крыльями пчелы, а также интерференционную картину, создаваемую волны от каждого отдельного крыла врезались друг в друга.
"Я был очень взволнован, увидев такое поведение, поэтому я принес пчелу обратно в лабораторию, чтобы рассмотреть ее поближе", - говорит Ро.
Работая с Гарибом, профессором аэронавтики и биоинженерии Калифорнийского технологического института Гансом В. Липманном, Ро воссоздал условия пруда Милликен. Они налили воду в кастрюлю, дали ей полностью успокоиться, а затем по одной посадили в воду пчел. Когда каждая пчела хлопала в воде, отфильтрованный свет падал прямо на нее, создавая тени на дне лотка. Ро и Гариб изучали 33 пчелы по отдельности в течение нескольких минут, осторожно вылавливая их через несколько минут, чтобы дать им возможность восстановиться после своих усилий по плаванию.
Доклад с описанием того, что они обнаружили, был опубликован в Proceedings of the National Academy of Sciences 18 ноября.
Когда пчела приземляется на воду, вода прилипает к ее крыльям, лишая ее возможности летать. Однако эта липкость позволяет пчеле тащить воду, создавая волны, которые толкают ее вперед. В лаборатории Рох и Гариб отметили, что сгенерированная волновая картина симметрична слева направо. В воде сзади пчелы создается сильная волна большой амплитуды с интерференционной картиной, а на поверхности перед пчелой крупная волна и интерференция отсутствуют. Эта асимметрия толкает пчел вперед с малейшей силой - примерно в 20 миллионных ньютона. (Для справки: яблоко среднего размера, которое вы держите в руке, оказывает на вашу ладонь силу тяжести примерно в один ньютон.)
«Движение крыльев пчелы создает волну, которую ее тело может продвигать вперед», - говорит Гариб. «Он плывет на подводных крыльях или плывет в безопасное место».
Замедленное видео выявило источник потенциально спасительной асимметрии: вместо того, чтобы просто хлопать вверх и вниз в воде, крылья пчелы пронируют или изгибаются вниз, толкая воду вниз, и супинируют (изгибают вверх).) при подъеме из воды. Тянущее движение обеспечивает тягу, а толкающее движение является возвратным ходом.
Кроме того, взмахи крыльев в воде медленнее, а амплитуда взмаха - мера того, как далеко проходят их крылья, когда они взмахивают - менее 10 градусов, в отличие от 90-120 градусов, когда они пролетают через воду. воздух. На протяжении всего процесса спинная (или верхняя) сторона крыла остается сухой, а нижняя сторона цепляется за воду. Вода, которая остается прикрепленной к нижней стороне крыла, дает пчелам дополнительную силу, которую они используют для продвижения вперед.
"Вода на три порядка тяжелее воздуха, поэтому она ловит пчел. Но этот вес также делает ее пригодной для движения", - говорит Ро.
Пчелы, кажется, не в состоянии создать достаточную силу, чтобы вырваться прямо из воды, но их движение крыльев может подтолкнуть их к краю бассейна или пруда, где они могут вытащить себя на сушу и отлетать. По словам Ро, полеты на подводных крыльях требуют от пчел гораздо больше, чем полеты.
Движение никогда не было задокументировано у других насекомых и может представлять собой уникальную адаптацию пчел, говорит Ро.
«В жаркие дни пчелиным ульям требуется вода для охлаждения», - говорит Ро. «Поэтому, когда температура повышается, рабочих отправляют собирать воду вместо пыльцы». Пчелы найдут источник воды, проглотят ее в специальную камеру в своем теле, а затем улетят. Однако иногда они проваливаются. И если они не могут освободиться, то умирают.
Рох и Гариб, которые работают в Центре автономных систем и технологий Калифорнийского технологического института (CAST), уже начали применять свои результаты в своих исследованиях в области робототехники, разрабатывая небольшого робота, который использует аналогичные движения для перемещения по поверхности воды. Несмотря на трудоемкость, движение однажды можно будет использовать для создания роботов, способных как летать, так и плавать.
Исследование называется «Медоносные пчелы используют свои крылья для передвижения по поверхности воды». Он финансировался Национальным научным фондом и Калифорнийским технологическим институтом.