Божьи коровки – очень подвижные насекомые, которые могут легко переходить с полёта в так называемый режим ходьбы. Они чаще других жуков взлетают и садятся, при этом свои крылья они складывают под яркий панцирь. И делают это ловко и быстро (в среднем за две секунды), несмотря на то, что длина их крыльев намного превосходит длину всего тела.
Учёные сконструировали для насекомых прозрачные искусственные надкрылья из смолоподобного материала, который затвердевает под действием ультрафиолета. Фото Kazuya Saito.
Ранее исследователи изучали механизм "развёртывания" крыльев божьих коровок. Известно, что их задние перепончатые крылья расправляются в среднем за десятую долю секунды, а перед этим насекомое поднимает надкрылья – те самые ярко-красные или оранжевые передние крылья с чёрными точками. Они более плотные и защищают прозрачные тонкие задние крылья. Последние, как предполагалось, складываются по типу оригами.
Но самое интересное – что эти длинные крылья пронизаны сетью сосудиков, заполняющихся жидкостью. Перед взлётом божья коровка поднимает надкрылья и напрягает мышцы третьего грудного сегмента, повышая давление жидкости в сосудиках летательных крыльев. В результате упругость сосудов возрастает и крыло расправляется.
При посадке механизм несколько изменяется: божья коровка сперва складывает надкрылья и только потом начинает втягивать задние крылья, активно помогая себе брюшком. Отследить в подробностях этот механизм впервые удалось японским учёным.
Как рассказал руководитель работы профессор Токийского университета Кадзуя Саито (Kazuya Saito), его команда работала с семиточечными коровками (вид Coccinella septempunctata). Учёные сконструировали прозрачные искусственные надкрылья из смолоподобного материала, который затвердевает под действием ультрафиолета (наподобие геля, которые используется для наращивания ногтей).
Эти имплантаты пересадили насекомым (им удалили по одному надкрылью), а затем при помощи высокоскоростной съёмки и КТ-сканирования отследили, как те сворачивают крылья после полёта.
Кроме того, специалисты изучили под микроскопом удалённый участок. Оказалось, его внутренняя сторона рельефна и повторяет узор сосудиков летательного крыла. Также на ней обнаружились "липучки" – участки с микроскопическими щетинками, удерживающими сложенное крыло.
Исследователи использовали микро-КТ-сканирование для получения этого изображения. Божья коровка умело использует своё брюшко и надкрылья для достижения этой сложной складчатости. Фото Kazuya Saito.
Точно такие же липкие участки присутствуют и на верхней стороне брюшка насекомого. После приземления божья коровка складывает надкрылья, а затем начинает поджимать и расправлять брюшко. В этот момент давление в сосудиках снижается. При первом поджимании брюшка сосудики укладываются в соответствующие им выемки на внутренней стороне надкрылья.
После расслабления брюшка оно проскальзывает по нижней стороне задних крыльев. Затем божья коровка вновь напрягает брюшко, которое, поджимаясь, подцепляет крылья и заправляет их под надкрылье. При этом прозрачные перепонки между сосудиками выполняют роль направляющих при складывании крыла.
Кстати, сравнение с оригами в данном случае оказалось немного ошибочным: на самом деле крылья не сгибаются под острыми углами, а как бы скручиваются – вероятно, чтобы сосудики не перегибались и крыло не деформировалось.
"Обычно для трансформируемых структур требуется много деталей – суставов и неподвижных частей. Но в крыле божьей коровки суставов нет. Они используют только гибкость структуры, из которой состоят их крылья", — заключает Кадзуя Саито.
"Техника божьих коровок для достижения сложного сгибания является довольно увлекательной и новаторской, особенно для исследователей в области робототехники, механики, аэрокосмической техники и машиностроения", — добавляет профессор.
По его мнению, открытый учёными механизм будет иметь важное значение для инженерии. К примеру, по такому же принципу могут складываться и разворачиваться лопасти солнечных батарей, крылья автомобилей будущего и даже зонтик или веер. Вспомним и о складывающемся космическом модуле BEAM, который сейчас проходит на испытания на МКС. В случае успеха именно по его образу и подобию будут спроектированы надувные жилые модули для межпланетных миссий с участием людей.
Научная статья японских учёных опубликована в журнале PNAS.
