Базальный комплекс: компонент «умного крыла» для автоматического изменения формы

May 31, 2023

Биология связи, том 6, Номер статьи: 853 (2023) Цитировать эту статью

702 доступа

9 Альтметрика

Подробности о метриках

Крылья насекомых представляют собой адаптивные структуры, которые автоматически реагируют на силу полета, превосходя даже передовые инженерные системы изменения формы. Широко принятая, но еще не проверенная гипотеза состоит в том, что трехмерный компонент в проксимальной области крыла, известный как базальный комплекс, определяет качество изменения формы крыла в полете. В ходе нашего исследования мы подтверждаем эту гипотезу, демонстрируя, что базальный комплекс играет решающую роль как в качестве, так и в количестве деформаций крыльев. Систематические вариации геометрических параметров базального комплекса в наборе численных моделей позволяют предположить, что крылья подверглись адаптации для достижения максимального развала под нагрузкой. Вдохновленные конструкцией базального комплекса, мы разрабатываем механизм изменения формы, который может облегчить изменение формы лопастей ветряных турбин. Это исследование расширяет наше понимание биомеханики крыльев насекомых и дает представление о разработке упрощенных инженерных систем изменения формы.

Птицы и летучие мыши обладают летательными мышцами, которые активно контролируют движения и деформации крыльев, тем самым улучшая их летные качества. Напротив, в крыльях насекомых отсутствуют мышцы, за исключением тех, которые расположены в грудной клетке и контролируют движения крыльев в базальной области крыльев. Вместо этого крылья насекомых состоят из структурных компонентов, которые позволяют им автоматически реагировать на силы полета1,2,3,4,5,6. Контролируемые реакции включают изгиб, скручивание и образование прогиба для эффективного создания подъемной силы и тяги2,7,8. Хотя мускулы прямого полета в грудной клетке могут изменять и контролировать профиль основания крыла в ограниченной степени, отсутствие мышц в крыльях насекомых требует автоматического контроля формы крыльев за пределами основания крыла, закодированного в структурном дизайне крыла и составе материала9. Эта отличительная особенность крыльев насекомых, т.е. автоматическое управление формой, делает их уникальными среди всех природных и инженерных систем и, что более важно, потенциальным кандидатом для инженерных приложений, стремящихся достичь автоматического управления формой10,11.

Стрекозы и стрекозы из отряда насекомых Odonata по летным характеристикам превосходят практически любое другое насекомое. Они демонстрируют интригующе сложный полет благодаря своим узкоспециализированным крыльям1,2,3,4,5,6,7,8,9. Многие особенности крыла, в том числе градиенты свойств материала12,13 и толщины14,15, рисунок жилкования2,16,17, гофрирование18,19, узелок16,20, птеростигма21, жилочные соединения и связанные с суставами шипы22,23, резилиновые пятна24,25, 26, ультраструктура жилок 23,27, линии сгибания 28 и базальный комплекс 4,29,30 способствуют автоматической деформируемости крыльев одонатана и, в частности, образованию выпуклости крыльев. Широко принятая, но еще не проверенная в явном виде гипотеза состоит в том, что базальный комплекс — трехмерная структура у основания крыла с особым расположением жилок — является ключом к определению качества деформаций крыльев у видов одонатов2,16,29. Хотя форма, размеры и положение базального комплекса внутри крыла, охватывающего большую часть проксимальной области крыла, позволяют предположить, что это может быть разумной гипотезой, литературные данные носят в основном описательный характер, а количественные и/или систематические исследования роль базального комплекса в деформациях крыла все еще редка4,31,32. Комплексное исследование, устанавливающее связь между структурой, материалом и механическими характеристиками базального комплекса, может помочь нам восполнить этот пробел в литературе. Это основная цель данного исследования.

Здесь мы выборочно собрали три вида Odonata: Ischnura elegans (Coenagrionidae), Calopteryx splendens (Calopterygidae) и Sympetrum vulgatum (Libellulidae) с морфологически различными базальными комплексами и стилями полета. Мы использовали комбинацию экспериментальных методов и методов визуализации, включая сканирующую электронную микроскопию (SEM), микрокомпьютерную томографию (микро-КТ), конфокальную лазерную сканирующую микроскопию (CLSM), широкопольную флуоресцентную микроскопию (WFM), механические испытания, конечные элементный анализ (FEA), параметрическое моделирование, концептуальное проектирование и 3D-печать, чтобы (1) изучить структуру и материал базального комплекса, (2) охарактеризовать, как они влияют на механическое поведение базального комплекса, (3) определить роль базального комплекса в деформациях крыла и (4) использовать концепции дизайна, вдохновленные крылом, в реальных приложениях. Наши результаты значительны, поскольку они не только расширяют наше понимание биомеханики крыльев насекомых, но и служат основой для разработки структур, изменяющих форму, которые не требуют сложного активного контроля.