落下中にトンボが自分自身を正しく飛ばす方法からの教訓

伸びた体、巨大な翼幅、虹色の色で、トンボはユニークな光景です。しかし、彼らの独創性は見た目だけではありません。地球上で最も古い昆虫種の1つとして、彼らは空中飛行の初期の革新者です。

現在、コーネル大学工学部の機械航空宇宙工学の教授であるJane Wangが率いるグループは、トンボが落下しているときに自分自身を正すことができるようにする複雑な物理学と神経制御を解き明かしました。

この研究により、トンボの目（5つすべて）から始まり、その筋肉と翼のピッチまで続く一連のメカニズムが明らかになりました。

チームの論文「トンボの立ち直り反射における回復メカニズム」は、5月12日に Scienceに掲載されました。 。ワンは、バージニア州アッシュバーンにあるハワードヒューズ医学研究所（HHMI）のジェームズメルフィ博士とアンソニーレオナルドと共同で論文を執筆しました。

20年間、Wangは複雑な数学的モデリングを使用して、昆虫の飛翔のメカニズムを理解してきました。王にとって、生物の進化を説明する上で、物理学は遺伝学と同じくらい重要です。

「昆虫は最も豊富な種であり、空中飛行を最初に発見しました。そしてトンボは最も古い昆虫のいくつかです」と王は言いました。 「彼らが空中でどのように自分自身を正すかを見ようとすると、飛行の起源と、動物が空中でバランスを取り、宇宙をナビゲートするための神経回路をどのように進化させたかについての洞察が得られます。それらの軌道は複雑で予測不可能です。トンボは、明白な指示に従わずに、常に操縦を行います。不思議です。」

これらの飛行ダイナミクスとそれらを支配する内部アルゴリズムを研究するために、チームはトンボが磁気テザーから逆さまに落とされる制御された行動実験を設計しました。特定の「ハードワイヤード反射」により、ネコは足に着地しました。彼らは、トンボを足に触れずに注意深く放すことで、昆虫の交絡操作が実際には同じ動きのパターンに従っていることを発見しました。研究者は、毎秒4,000フレームで撮影する3台の高速ビデオカメラでそれを捉えることができました。トンボの羽と体にマーカーを付け、3D追跡ソフトウェアを介して動きを再構築しました。

研究者たちは、翼と空気の相互作用の不安定な空気力学から、トンボの体が羽ばたきに反応する方法まで、さまざまな要因を考慮する必要がありました。また、すべての地上の存在が最終的に対抗しなければならないその厄介な力があります：重力。

ワンとメルフィは、トンボの曲技飛行をうまくシミュレートする計算モデルを作成することができました。しかし、1つの重要な質問が残っていました。トンボは、軌道を修正できるように、落下していることをどのようにして知るのでしょうか。

王は、慣性感覚を持っている人間とは異なり、トンボは2つの視覚系（大きな複眼のペアとオセリと呼ばれる3つの単純な目）に頼って直立度を測定できることに気づきました。

彼女はトンボの目をペンキで塞ぎ、実験を繰り返すことで理論をテストしました。今回、トンボは飛行中の回復がはるかに困難でした。

「これらの実験は、視覚がトンボの立ち直り反射を開始する最初の支配的な経路であることを示唆しています」と王は言いました。

その視覚的な合図が一連の反射を引き起こし、トンボの4つの翼に神経信号を送信します。これらの翼は、左翼と右翼のピッチの非対称性を調整する一連の直接的な筋肉によって駆動されます。 3回または4回の翼のストロークで、タンブリングトンボは180度回転し、右側を上にして飛行を再開できます。プロセス全体には約200ミリ秒かかります。

「難しいのは、実験データから重要な制御戦略を理解することでした」とWang氏は述べています。 「わずかなピッチの非対称性が観測された回転につながるメカニズムを理解するのに非常に長い時間がかかりました。重要な非対称性は、他の多くの変更の中で隠されています。」

運動学的分析、物理モデリング、および3Dフライトシミュレーションの組み合わせにより、研究者は、動物の観察された行動とそれらを制御する内部手順との間の重要な関係を推測する非侵襲的な方法を得ることができます。これらの洞察は、小型の飛行機械やロボットのパフォーマンスを向上させたいと考えているエンジニアも使用できます。

「数十ミリ秒または数百ミリ秒のタイムスケールでの飛行制御を設計することは困難です」とWang氏は述べています。 「小型の羽ばたき機は、離陸して回転できるようになりましたが、それでも空中に残るのに問題があります。それらが傾くとき、修正するのは難しいです。動物がしなければならないことの1つは、この種の問題を正確に解決することです。」