Emme ole koskaan aikaisemmin nähneet näin yksityiskohtaisesti tapaa, millä kärpänen käyttää lihaksiaan siipiensä liikuttamiseen lennon aikana. Oxfordin yliopiston eläimien lentoon erikoistunut tutkimusryhmä onnistui paitsi saamaan suurnopeusvideolle lentävän kärpäsen, niin myös tekemään videon siitä kolmiulotteisella röntgentomografialla. Huimaa!
Tarkalleen ottaen tutkimusryhmään kuuluu jäseniä Oxfordin yliopiston lisäksi Imperial Collegesta ja sveitsiläisestä Paul Scherrer -instituutista, ja työhän käytettiin jälkimmäisessä olevaa tehokasta synkrotronia, joka tuotti tarpeeksi voimakasta röntgensäteilyä kuvaamiseen.
Ryhmän kärpäsen lentoa kuvaava artikkeli ilmestyi eilen PLOS Biology -julkaisussa.
Myös alla oleva video (New Scientist -lehden YouTubeen laittamana) näyttää erinomaisesti miten luonnon eräs monimutkaisimmista hermoista ja lihaksista koostuva järjestelmä toimii: miten pienikokoinen hyönteinen liikuttaa siipiään ja hallitsee lentoaan.
Kärpänen tekee siivillään noin 150 kertaa sekunnissa, ja jokaisen lyönnin aikana se käyttää paitsi suurimpia lihaksiaan, niin myös useita pieniä ohjauslihaksia. Kärpäsen lähes koko keskiruumiin kokoiset isot lihakset siis tuottavat lentämiseen vaadittavan voiman, mutta ihmisen hiustakin ohuemmat pikkulihakset toimivat ohjaimina. Siivissä ei ole lihaksia, vaan kärpänen hallitsee lentoaan näillä pienillä lihaksilla, jotka kääntävät siipiä juuri oikealla tavalla.
"Näitä ohjauslihaksia ei näy plain silmin, mutta ne tulevat hyvin esiin röntgensäteilyllä", sanoo tutkija Rajmund Mokso PSI:stä.
"Saimme ne näkyviin koejärjestelyssämme, missä lentävää kärpästä voitiin pyörittää ympäri ja kuvata eri kuvakulmista suurnopeusradiografeilla. Kun koostimme saadut kuvat yhteen, saimme tulokseksi 3D-visualisoinnin siitä miten kärpänen käyttää lihaksiaan lentäessään."
Ohuen varren päähän kiinnitetty kärpänen reagoi pyörittämiseen ja koitti korjata lentosuuntaansa, jolloin erityisesti ohjauslihasten toiminta saatiin näkyviin. Tätä ei ennen ole onnistuttu näkemään.
"Ohjauslihasten massa on vain noin 3 % kaikista lentämiseen vaadittavista lihaksista", kertoo tutkimusta johtanut Graham Taylor, Oxfordin yliopiston professori. "Ihmettelimme sitä miten pikkulihakset pystyvät hallitsemaan niin hyvin suurten lentämiseen vaadittavien voimalihasten toimintaa. Voimalihakset toimivat symmetrisesti, mutta ne liikuttavat jokaista siipeä eri tahdissa, jolloin ohjauslihakset pystyvät saamaan käyttöönsä osan lentolihasten voimasta käyttöönsä siipien räpytysten välissä."
Tutkimus paitsi auttaa ymmärtämään paremmin hyönteisten lentoa, niin myös tekee mahdolliseksi mikromekaanisten laitteiden paremman suunnittelun.
"Kärpäsen siiven kiinnityskohta sen kehoon on ken ties eräs monimutkaisimmista ja kestävimmistä liikkuvista liitoksista luonnossa", väittää artikkelin ensimmäinen kirjoittaja Daniel Schwyn. "Luonnolta on kestänyt 300 miljoonaa vuotta sen kehittämiseen ja se poikkeaa dramaattisesti vastaavista laitteista, joita ihminen on tehnyt."
Olennaisinta mikromekaniikan kannalta löydössä on se, jokainen lihas supistuu ja venyy vain yhteen suuntaan, mutta niiden yhteisvaikutus synnyttää monimutkaisen siipien liikeoskillaation, joka on kolmiulotteinen ja muuttuu jatkuvasti lentotilanteen muuttuessa. Insinöörit haluaisivat myös käyttää pieniä moottoreita, jotka synnyttävät vain edestakaista liikettä, monimutkaisten liikesarjojen tekemiseen.
Videolla lentolihakset on merkitty punaisella, oranssilla ja keltaisella, ja pienemmät ohjauslihakset vihreällä, sinisellä ja violetilla. Kuvissa näkyy vain kärpäsen keskiruumis.
