Новое исследование летучих мышей обнаруживает в их чудесных крыльях способности, которые могут помочь им отрегулировать свой полет.Исследователи из Университета Брауна сообщают, что летучие мыши используют сеть почти тонких как волос мышц, встроенных в мембрану их изначально гибкой кожи крыльев, чтобы регулировать жесткость и кривизну крыльев во время полета. У птиц и насекомых жесткие крылья, но новые данные свидетельствуют о том, что летучие мыши развили это мускульное средство сохранения или изменения формы крыльев.
«Аэродинамические характеристики зависят от формы крыла», — сказал Браун, аспирант биологии Йорн Чейни, ведущий автор недавно опубликованной статьи в журнале «Биоинспирация и биомиметика». «Форма мембранного крыла может быть изначально плоской, но как только оно начнет создавать подъемную силу, оно не останется плоским, потому что оно должно деформироваться в ответ на эту аэродинамическую нагрузку.«Форма, которую он принимает, может быть ужасной — животное может разбиться — или может быть полезно», — сказал Чейни. «Но они не привязаны к этой форме. Поскольку у летучих мышей есть эти мускулы в своих крыльях, а также кости, которые также могут контролировать общую форму, они могут принимать любое количество профилей».Измерения мембранных мышц
Чейни не был уверен, что делать с крошечными мышцами, называемыми плагиопатагиальными, в ходе экспериментов, описанных в статье. Они известны более века, но их функция никогда не демонстрировалась.
Когда Чейни рассмотрел функцию мышц, он пришел к выводу, что каждая отдельная мышца будет слишком слабой, чтобы изменить форму крыла.
Это привело к тому, что он сформировал две конкурирующие гипотезы: либо мышцы активируются вместе для увеличения силы, либо эти слабые мышцы странной формы могут существовать исключительно как датчики растяжения.Только эксперименты могли решить этот вопрос, поэтому Чейни прикрепил электродные датчики к нескольким мышцам на крыльях нескольких ямайских фруктовых летучих мышей и снял их, когда они летели в аэродинамической трубе лаборатории.Полученные данные позволили сделать три основных вывода. Все они указывают на плагиопатагиальные заболевания, регулирующие жесткость кожи.
Одним из результатов было то, что активация и расслабление мышц во время полета следовали определенной схеме: они напрягаются при ударе вниз и расслабляются при движении вверх.«Это первое исследование, показывающее, что летучие мыши включают и выключают эти мышцы во время типичного цикла взмахов крыльев», — сказала соавтор Шэрон Шварц, профессор биологии из Брауна..Еще одно открытие заключалось в том, что мышцы не действуют индивидуально. Вместо этого они действуют синхронно, обеспечивая достаточную коллективную силу для придания крылу жесткости.
Наконец, Чейни обнаружил, что мышцы активировались в разное время при разной скорости полета. Поскольку летучие мыши летали быстрее, они быстрее напрягали мышцы в цикле движения вверх-вниз.Другими словами, данные свидетельствуют о том, что мышцы действуют не пассивно, а активно и коллективно в соответствии с условиями полета.Однако никакие данные не препятствуют тому, чтобы мышцы также выполняли сенсорную функцию.
Технологическое понимание тожеВыводы Чейни вписываются в более крупную программу исследований в Брауне между лабораториями биолога Шварца и соавтора Кеннета Брейера, профессора инженерных наук, в котором, как говорит Брейер, они «используют биологию, чтобы вдохновить инженерное дело, и используют инженерное дело, чтобы вдохновить биологию. . "Параллельно с исследованиями реальных летучих мышей команда также построила роботизированное крыло летучей мыши, в котором учтены их биологические наблюдения.
Затем они используют крыло для получения данных из экспериментов, которые они никогда не смогли бы провести с живыми существами, таких как точное изменение кинематических параметров, таких как частота и амплитуда взмахов крыльев или степень складывания крыльев во время взмахов.В отдельной статье того же выпуска «Биоинспирации и биомиметики» Шварц, Брейер и бывший студент Джо Бальман сообщают о том, как менялись затраты энергии и аэродинамические силы, когда они меняли несколько кинематических параметров в крыле роботизированной летучей мыши. Они обнаружили, что для создания заданной силы, такой как подъемная сила, каждый из нескольких параметров требует примерно одинакового количества энергии, но время и степень складывания крыла значительно изменяют соотношение между подъемной силой и мощностью.В настоящее время группа совершенствует роботизированное крыло, интегрируя новые данные о том, как плагиопатагиальные заболевания влияют на жесткость и форму крыла.
«Когда кто-то пытается построить спроектированный летательный аппарат, вы хотите контролировать его аэродинамические свойства», — сказал Брейер. «Это еще одна ручка, которую мы должны повернуть сейчас. Возможность использовать эти мембранные крылья и иметь возможность контролировать свойства так, как мы подозреваем летучих мышей, используя эти мышцы, — это прекрасная возможность для биомиметических систем».У группы есть статья, показывающая, что контроль натяжения мембраны таким образом регулирует аэродинамические свойства.
Помимо Чейни, Брейера и Шварца, другими авторами статьи являются Эрика Гиблин, Николай Коноу и Томас Робертс из Брауна и Кевин Миддлтон из Университета Миссури.