Questi robot hanno contribuito a spiegare come gli insetti abbiano sviluppato due distinte strategie di volo

I risultati si concentrano su come le due diverse modalità di volo si sono evolute negli insetti. La maggior parte degli insetti usa il cervello per attivare i muscoli del volo ad ogni colpo d’ala, proprio come noi attiviamo i muscoli delle gambe ad ogni passo che facciamo. Questo si chiama volo sincrono. Ma alcuni insetti, come le zanzare, sono in grado di sbattere le ali senza che il loro sistema nervoso comandi ogni colpo d’ala. Invece i muscoli di questi animali si attivano automaticamente quando vengono allungati. Questo si chiama volo asincrono. Il volo asincrono è comune in alcuni degli insetti dei quattro principali gruppi di insetti, consentendo loro di sbattere le ali a grandi velocità, consentendo ad alcune zanzare di sbattere le ali più di 800 volte al secondo, ad esempio.

Per anni, gli scienziati hanno ipotizzato che i quattro gruppi di insetti – api, mosche, scarafaggi e veri insetti (emitteri) – avessero tutti sviluppato un volo asincrono separatamente. Tuttavia, una nuova analisi condotta dal team della Georgia Tech conclude che il volo asincrono in realtà si è evoluto insieme in un antenato comune. Successivamente alcuni gruppi di specie di insetti tornarono al volo sincrono, mentre altri rimasero asincroni.

La scoperta che alcuni insetti come le falene si sono evoluti da sincrono ad asincrono, e poi di nuovo al volo sincrono, ha portato i ricercatori a intraprendere un percorso di indagine che ha richiesto esperimenti con insetti, robot ed esperimenti matematici. Questa nuova scoperta evolutiva ha posto due domande fondamentali: i muscoli delle falene mostrano segni della loro precedente asincronia e come può un insetto mantenere proprietà sia sincrone che asincrone nei suoi muscoli ed essere comunque in grado di volare?

L’esemplare ideale per studiare queste questioni di evoluzione sincrona e asincrona è l’Hawkmoth. Questo perché le falene usano il volo sincrono, ma i dati evolutivi ci dicono che hanno antenati con volo asincrono.

I ricercatori della Georgia Tech hanno innanzitutto cercato di misurare se è possibile osservare segni di asincronia nel muscolo Hawkmoth. Attraverso la caratterizzazione meccanica del muscolo hanno scoperto che gli Hawkmoth conservano ancora le caratteristiche fisiche dei muscoli del volo asincrono, anche se non vengono utilizzati.

Come può un insetto avere proprietà sia sincrone che asincrone e continuare a volare? Per rispondere a questa domanda i ricercatori si sono resi conto che l’uso dei robot avrebbe permesso loro di eseguire esperimenti che non avrebbero mai potuto essere fatti sugli insetti. Ad esempio, sarebbero in grado di dotare i robot di motori in grado di emulare combinazioni di muscoli asincroni e sincroni e testare quali transizioni potrebbero essersi verificate durante i milioni di anni di evoluzione del volo.

Il lavoro evidenzia il potenziale della robofisica, la pratica di utilizzare robot per studiare la fisica dei sistemi viventi, ha affermato Nick Gravish, professore di ingegneria meccanica e aerospaziale presso la Jacobs School of Engineering della UC San Diego e uno degli autori senior dell’articolo.

“Siamo stati in grado di fornire una comprensione di come potrebbe avvenire la transizione tra il volo asincrono e quello sincrono”, ha affermato Gravish. “Costruendo un robot con ali battenti, abbiamo contribuito a fornire una risposta a una domanda evolutiva in biologia.”

In sostanza, se stai cercando di capire come gli animali, o altre cose, si muovono nel loro ambiente, a volte è più facile costruire un robot che abbia caratteristiche simili a queste cose e si muova nello stesso ambiente, ha affermato James Lynch, che si è guadagnato il suo merito. Dottorato di ricerca nel laboratorio di Gravish ed è uno dei coautori principali dell’articolo.

“Una delle più grandi scoperte evolutive è che queste transizioni si verificano in entrambe le direzioni, e che invece di molteplici origini indipendenti di muscoli asincroni, ce n’è in realtà solo una”, ha affermato Brett Aiello, assistente professore di biologia alla Seton Hill University e uno dei ricercatori. dei co-primi autori. Ha svolto il lavoro per il suo studio quando era ricercatore post-dottorato nel laboratorio del professore della Georgia Tech Simon Sponberg. “Da quell’unica origine indipendente si sono verificate molteplici revisioni che riportano alla sincronia.”

Costruire modelli robofisici di insetti

Lynch e il co-primo autore Jeff Gau, un Ph.D. studente della Georgia Tech, hanno lavorato insieme per studiare le falene e misurare la loro attività muscolare in condizioni di volo. Hanno quindi costruito un modello matematico dei movimenti di battito delle ali della falena.

Lynch riportò il modello all’UC di San Diego, dove tradusse il modello matematico in comandi e algoritmi di controllo che potevano essere inviati a un robot che imitava l’ala di una falena. I robot da lui costruiti si sono rivelati molto più grandi delle falene e, di conseguenza, più facili da osservare. Questo perché nella fisica dei fluidi, un oggetto molto grande che si muove molto lentamente attraverso un mezzo più denso, in questo caso l’acqua, si comporta allo stesso modo di un oggetto molto piccolo che si muove molto più velocemente attraverso un mezzo più sottile, in questo caso l’aria.

“Abbiamo ridimensionato dinamicamente questo robot in modo che questo robot molto più grande che si muove molto più lentamente fosse rappresentativo di un’ala molto più piccola che si muove molto più velocemente”, ha detto Lynch.

Il team ha realizzato due robot: un grande robot flapper modellato su una falena per comprendere meglio come funzionavano le ali, che hanno dispiegato nell’acqua. Hanno anche costruito un robot flapper molto più piccolo che operava in aria (sul modello dell’ape robotica di Harvard).

Risultati, sfide e prossimi passi

Gli esperimenti con il robot e la modellazione hanno aiutato i ricercatori a testare come un insetto potrebbe passare dal volo sincrono a quello asincrono. Ad esempio, i ricercatori sono riusciti a creare un robot con motori in grado di combinare volo sincrono e asincrono e vedere se sarebbe effettivamente in grado di volare. Hanno scoperto che, nelle giuste circostanze, un insetto poteva passare da una modalità all’altra in modo graduale e fluido.

“Gli esperimenti sui robot hanno fornito un possibile percorso per questa evoluzione e transizione”, ha affermato Gravish.

Lynch ha affrontato diverse sfide, tra cui la modellazione del flusso del fluido attorno ai robot e la modellazione della proprietà di feedback del muscolo degli insetti quando viene allungato. Lynch è riuscito a risolvere questo problema semplificando il modello il più possibile e assicurandosi che rimanesse accurato. Dopo diversi esperimenti, si rese conto anche che avrebbe dovuto rallentare i movimenti dei robot per mantenerli stabili.

I prossimi passi dal punto di vista della robotica includeranno la collaborazione con scienziati dei materiali per dotare i flapper di materiali simili ai muscoli.

Oltre a contribuire a chiarire l’evoluzione e la biofisica del volo degli insetti, il lavoro presenta vantaggi per la robotica. I robot con motori asincroni possono adattarsi e rispondere rapidamente all’ambiente, come durante una raffica di vento o una collisione con le ali, ha affermato Gravish. La ricerca potrebbe anche aiutare gli esperti di robotica a progettare robot migliori con le ali battenti.

“Questo tipo di lavoro potrebbe aiutare a inaugurare una nuova era di sistemi di ali battenti reattivi e adattivi”, ha affermato Gravish.