PROTOTYP LATAJŃCEGO ROBOTA budują naukowcy w Vanderbilt
School of Engineering s Center for Intelligent Mechatronics. Jego dzia"a-
nie b�dzie oparte na zjawiskach aerodynamicznych, które są wykorzysty-
wane przez owady, a nie na tych, dzi�ki którym latają samoloty.
Tajemnice
lotu
owadów
ZWIERZóTA TE, ABY UTRZYMA� SIó W POWIETRZU, WYKORZYSTUJŃ
KOMBINACJó WIELU ZJAWISK AERODYNAMICZNYCH
MICHAEL DICKINSON
Zdj�cia: Timothy Archibald
zbiorniku zawiera- Wraz ze swym zespo"em badawczym ków, jak i wp"ywu na Ęrodowisko. Ten
jącym dwie tony zbudowa"em ten nietypowy zestaw do- niezwyk"y sukces zawdzi�czają wielu
oleju mineralnego Ęwiadczalny, by wyjaĘni� podstawy fi- cechom, a umiej�tnoĘ� latania jest jed-
dwa mechaniczne zyczne unoszenia si� w powietrzu ma- ną z najwaŻniejszych. ZdolnoĘ� lotu
skrzyd"a porusza- leł
kiej muszki owocowej (Drosophila umoŻliwia owadom zasiedlanie nowych
ją si� bardzo po- melanogaster). Muszka nie ma najmniej- terenów, poszukiwanie poŻywienia na
woli tam i z po- szego poj�cia o aerodynamice, wytwa- rozleg"ym obszarze, a nawet migracj�
�wrotem, potrzebu- rzaniu wirów, opóęnionym oderwaniu, do rejonów o cieplejszym klimacie ze
jąc aŻ pi � sekund na jeden okres ru- cyrkulacji ani wychwyceniu Ęladu; ona zmianą pór roku. Jednak lot to nie tylko
chu. Nap�dzane szeĘcioma sterowany- tylko korzysta z praktycznych konse- sposób przemieszczania si�  wiele owa-
mi komputerowo silnikami wzbudzają kwencji tych zjawisk 200 razy na sekun- dów wykorzystuje akrobacje powietrzne
w cieczy wiry, dobrze widoczne dzi�ki d�, gdy macha skrzyd"ami w gór� i w do polowania, obrony swego terytorium
milionom powsta"ych w niej banieczek dó". Jej mechaniczny model, który na- i zdobywania partnerów. W trakcie ewo-
powietrza (zbiornik przypomina wi�c zwaliĘmy robomuchą, naĘladuje ruch lucji nast�powa"a selekcja pod kątem
gigantyczny kufel piwa, w którym trze- skrzyde" owada, lecz jest od niego 100 bardziej wszechstronnych i wydajniej-
pocze si� mechaniczna mucha o 60-cen- razy wi�kszy i porusza skrzyd"ami 1000 szych technik lotu, dzi�ki czemu budowa
tymetrowej rozpi�toĘci skrzyde"). Sce- razy wolniej. Nie czuliĘmy si� na si"ach, owadów jest doskona"a. Mają one bar-
n� rozjaĘniają b"yski zielonego Ęwiat"a by bada� ruch Żywego owada, niezwykle dzo czu"e narządy w�chu i cz�sto do-
laserowego, a specjalne kamery wideo szybkiego i maleł
kiego, mamy nato- skona"y wzrok oraz pot�Żne mi�Ęnie 
rejestrują tory po"yskujących, wirują- miast nadziej�, Że robomucha umoŻli- wszystkie te cechy są w jakiĘ sposób
cych p�cherzyków powietrza. Si"y dzia- wi nam zrozumienie zawi"oĘci aerody- związane z umiej�tnoĘcią lotu. Jednak
"ające na skrzyd"a ze strony cieczy są namiki, dzi�ki której owady latają. do niedawna w naszej wiedzy o locie
rejestrowane przez przymocowane do Owady dominują na naszej planecie owadów istnia"a dotkliwa luka: naukow-
nich czujniki. zarówno pod wzgl�dem liczby gatun- cy mieli k"opoty z wyjaĘnieniem na grun-
SIERPIEĄ 2001 �WIAT NAUKI 31
wielkoĘci kciuka, które mog"yby by� przy-
datne w pracach poszukiwawczych i ra-
towniczych, monitorowaniu Ęrodowiska,
nadzorze powietrznym, wykrywaniu min
i badaniu planet. Zbudowano juŻ mode-
le samolotów wielkoĘci ptaka, ale niko-
mu nie uda"o si� jeszcze skonstruowa�
latającego modelu samolotu wielkoĘci
muchy. Owady machają skrzyd"ami nie
dlatego, Że nie wykszta"ci"y w trakcie ewo-
lucji Ęmigie", przek"adni i turbin, lecz dla-
tego Że z powodu lilipucich rozmiarów
muszą korzysta� z innych zjawisk aerody-
namicznych. By� moŻe przysz"e roboty
wielkoĘci owadów b�dą zawdzi�cza"y
zdolnoĘci aerodynamiczne swoim natu-
ralnym odpowiednikom.
ROZMYTY OBRAZ SKRZYDE�
DLA KA�DEGO OBSERWATORA jest oczywi-
ste, Że pozostający w zawisie owad, któ-
rego skrzyd"a wida� jedynie jako plam�,
lata zupe"nie inaczej niŻ samolot. Skrzy-
d"a owada nie tylko poruszają si� w gó-
r� i w dó" jak "opatki na zawiasach  ko-
niec kaŻdego skrzyd"a zatacza wyd"u-
Żony owal nachylony wzgl�dem pionu.
Ponadto skrzyd"a obracają si� w czasie
kaŻdego cyklu: ich wierzchnia strona
ROBOMUCHA PORUSZAJŃCA POWOLI SKRZYD�AMI w lepkim oleju mineralnym symuluje szyb-
jest górną przy ruchu w dó", potem
ki ruch skrzyde" muszki owocowej w powietrzu. OĘwietlenie wiązkami Ęwiat"a laserowego cieczy
zawierającej bąbelki powietrza pozwala na obserwacj� przep"ywów wytwarzanych w cieczy, a czuj- skrzyd"a obracają si� i przy ruchu w gó-
niki na skrzyd"ach  na rejestracj� generowanych si".
r� jest ona stroną dolną.
Na początku do badał
z"oŻonego lo-
cie aerodynamiki natury si", dzi�ki któ- oparty na stwierdzeniu, Że si"a noĘna tu owadów próbowano wykorzysta�
rym owady utrzymują si� w powietrzu. statku o skrzyd"ach tak ma"ych, jak konwencjonalną aerodynamik� ustalo-
Problemy te sta"y si� nawet tematem trzmiela i latającego tak wolno, jak ten ną, która tak dobrze sprawdza si� w
popularnej anegdoty  o pewnym uczo- owad, jest niewątpliwie duŻo mniejsza przypadku skrzyde" samolotów. Nie by-
nym, który udowodni", Że trzmiel nie od jego ci�Żaru. "y to próby tak naiwne, jak nies"awne
moŻe lata�  cz�sto cytowanej na po- Od tamtego czasu inŻynierowie i ma- obliczenia si"y noĘnej trzmiela, gdyŻ
parcie tezy, Że warto czasem poda� tematycy zdobyli wiedz� teoretyczną uwzgl�dniano w nich zmian� pr�dkoĘci
w wątpliwoĘ� nawet najbardziej uznane z aerodynamiki, pozwalającą na zbudo- skrzyde" podczas ich ruchu w gór� i w
dogmaty. Historyjka o trzmielu pochodzi wanie Boeinga 747 i samolotów typu dó". Wyobraęmy sobie, Że wybieramy
z 1934 roku z ksiąŻki entomologa Anto- stealth. I cho� te statki powietrzne są pewne po"oŻenie skrzyde" w czasie ich
ine a Magnana, w której wspomina on o niezwykle skomplikowane, to w ich bu- ruchu i analizujemy sytuacj� w tunelu
obliczeniach wykonanych przez jego dowie wykorzystywana jest g"ównie ae- aerodynamicznym dla pr�dkoĘci ruchu
asystenta, inŻyniera Andr� Sainte-La- rodynamika ustalona: op"yw powietrza powietrza i orientacji skrzyd"a odpowia-
gu�. Przedstawiony tam wniosek by" wokó" skrzyd"a i powstające dzi�ki te- dających w"aĘnie temu po"oŻeniu skrzy-
mu si"y są sta"e w czasie. Lot owadów d"a w locie owada. W ten sposób moŻna
dlatego tak trudno opisa�, bo machają wyznaczy� si"� dzia"ającą na skrzyd"o
MICHAEL DICKINSON rozpoczą" karier� skrzyd"ami od 20 do 600 razy na sekun- w kaŻdej chwili.
naukową jako neurobiolog badający ko- d�, a ponadto obracają je. Powstający Gdyby podejĘcie oparte na hipotezie
mórkowe podstawy zachował
organizmów.
przy tym przep"yw powietrza wytwarza stanu ustalonego by"o prawid"owe, to
Mechaniką lotu zainteresowa" si�, gdy zaj-
si"y aerodynamiczne zmienne w czasie, Ęrednia si"a otrzymana przez zsumowa-
mowa" si� maleł
kimi czujnikami, które
trudne zarówno do analizy matematycz- nie si" wyznaczonych dla kaŻdej fazy ru-
mierzą wygi�cie skrzyd"a w czasie jego ru-
nej, jak i badał
doĘwiadczalnych. chu w ca"ym cyklu powinna by� skiero-
chu. Obecnie bada lot owadów w sposób
Poznanie tajemnic lotu owadów to nie wana do góry i równa ci�Żarowi owada.
zintegrowany, wykorzystując narz�dzia
tylko rozwiązanie starej zagadki naukowej Jeszcze pod koniec lat siedemdziesią-
i metody badawcze biologii, fizyki i nauk
 moŻe mie� równieŻ praktyczne zastoso- tych eksperci nie byli zgodni, czy tego
technicznych. Jest profesorem na Wydzia-
le Biologii Integracyjnej University of Cali- wania. Niedawno inŻynierowie zacz�li rodzaju analiza pozwala wyjaĘni�, dla-
fornia w Berkeley. myĘle� o budowie latających robotów czego owady utrzymują si� w powietrzu.
32 �WIAT NAUKI SIERPIEĄ 2001
O AUTORZE
Na początku lat osiemdziesiątych Char-
les Ellington z University of Cambridge
przeanalizowa" dok"adnie wszystkie do-
st�pne prace doĘwiadczalne i doszed"
do wniosku, Że hipoteza stanu ustalone-
go nie wyjaĘni powstawania si" niezb�d-
nych do utrzymania si� owada w locie.
W tej sytuacji z nowym zapa"em podj�-
to badania przep"ywów nieustalonych,
które mog"yby wyjaĘni� wi�ksze osią-
gni�cia skrzyde" machających.
Rozk"ad pr�dkoĘci i ciĘnienia w p"ynie
opisuje równanie Naviera Stokesa sfor-
mu"owane na początku XIX wieku
(z punktu widzenia zjawisk aerodyna-
micznych powietrze jest p"ynem o bar-
dzo ma"ej g�stoĘci). GdybyĘmy potrafili
rozwiąza� to równanie dla porusza-
jących si� skrzyde" owada, moglibyĘmy
otrzyma� pe"ną charakterystyk� aerody-
namiczną jego lotu. Niestety, z"oŻonoĘ�
ruchu skrzyde" powoduje, Że zagadnie-
nie to jest zbyt trudne, by moŻna uzy-
ska� jego rozwiązanie nawet przy uŻyciu MUCHA NA UWIóZI w komorze rzeczywistoĘci wirtualnej (na górze). Tysiące sterowanych kom-
puterowo zielonych diod dają musze z"udzenie ruchu otoczenia w zgodzie z jej manewrami.
najpot�Żniejszych komputerów.
Do symulacji zwrotów i obrotów w locie swobodnym s"uŻy podobna komora na zawieszeniu
Skoro nie moŻemy rozwiąza� zagad-
Cardana (na dole).
nienia, wykorzystując teori� i komputer,
to moŻe uda si� nam zmierzy� si"y wy-
twarzane przez poruszające si� skrzy-
d"a owada? Kilka zespo"ów badawczych
przystąpi"o do ciekawych i ambitnych
eksperymentów, wykazując wiele wy-
obraęni przy opracowywaniu nowych
metod badawczych, lecz naukowcy nie
zdo"ali wykona� dostatecznie dok"ad-
nych pomiarów ze wzgl�du na ma"e roz-
miary i duŻą pr�dkoĘ� poruszania si�
skrzyde" owadów.
Aby pokona� tego rodzaju ogranicze-
nia, biolodzy zajmujący si� badaniem
cech lokomocyjnych zwierząt wykorzy-
stują cz�sto modele budowane w okre-
Ęlonej skali  jak inŻynierowie przy pro-
jektowaniu samolotów, statków i samo-
chodów. InŻynierowie budują zmniej-
szone modele pojazdów, a badacze lotu
owadów powi�kszają skrzyd"a i spowal-
niają ich ruch, by pomiary sta"y si� "a-
twiejsze. Badania takich modeli dają
sensowne wyniki, jeĘli spe"niony jest wa-
runek dotyczący wartoĘci dwóch si" dzia-
"ających na cia"o w p"ynie: si"y pocho-
dzącej od bezw"adnoĘci p"ynu i od jego
lepkoĘci. Si"a bezw"adnoĘci to si"a po-
trzebna do przemieszczenia pewnej ma-
sy p"ynu; jest tym wi�ksza, im wi�ksza
jest g�stoĘ� p"ynu. LepkoĘ� jest związa-
na z tarciem, które powstaje podczas ru-
chu sąsiednich obszarów p"ynu z róŻną
pr�dkoĘcią. To z powodu lepkoĘci trud-
OPÓŁNIONE ODERWANIE SI�A NO�NA OD OBROTU
5
4
3
1 2
2
OBRÓT
1 SI�A NO�NA
WIR NA
MUSZKA OWOCOWA wykorzystuje trzy
SKRZYD�A
KRAWóDZI
UDERZENIE
róŻne zjawiska aerodynamiczne, by utrzy-
NATARCIA
SKRZYD�A
ma� si� w powietrzu. Podczas uderzenia
skrzyde" do góry (1) na przedniej kraw�-
WIR
dzi skrzyd"a tworzy si� wir, co zwi�ksza ROZRUCHOWY
KŃT
si"� noĘną. Zjawisko to nazywa si� opóę-
NAP�YWU
nionym oderwaniem, poniewaŻ jest zbyt
ma"o czasu, by wir oderwa" si� od skrzy-
d"a, co zachodzi jednak na skrzydle sa-
molotu. W koł
cowej fazie uderzenia (2,
3, 4) skrzyd"o si� obraca  daje to si"�
noĘną, podobnie jak w przypadku pi"ki te-
nisowej zagranej podci�ciem. Na począt-
ku ruchu powrotnego (5) skrzyd"o prze-
chodzi przez Ęlad wirowy wytworzony
podczas poprzedniego uderzenia skrzyd"a
w przeciwnym kierunku. Jest ono wów-
czas ustawione tak, Że ten przep"yw powie-
trza wytwarza dodatkową si"� noĘną  ta-
kie odzyskanie energii nazywa si� wy-
chwyceniem Ęladu.
no zamiesza� syrop. W"aĘciwoĘci fizycz- p"ynu wzd"uŻ skrzyd"a oraz wokó" jego
ne zwierząt i ich modeli są podobne, je- kraw�dzi. Cz�sto tak si� post�puje, pra-
Ęli taki sam jest w obu przypadkach sto- cując z prostymi modelami aerodyna-
SI�A NO�NA
DU�A PRóDKO�� sunek si"y bezw"adnoĘci do si"y lepkoĘci, micznymi  dzi�ki temu przep"yw zmie-
nazwany liczbą Reynoldsa. nia si� efektywnie z trójwymiarowego
Liczba Reynoldsa roĘnie ze wzrostem na dwuwymiarowy. Jego analiza jest
d"ugoĘci i pr�dkoĘci cia"a oraz g�stoĘci wi�c "atwiejsza, cho� istnieje obawa, Że
p"ynu, a maleje ze wzrostem jego lepko- pomija si� pewne waŻne zjawiska.
Ęci dynamicznej. Ruch duŻego, szybko Wyniki naszych doĘwiadczeł
z mode-
poruszającego si� samolotu odbywa si� lem skrzyd"a, a takŻe prac w innych labo-
w warunkach odpowiadających liczbom ratoriach umoŻliwi"y odkrycie zjawiska,
Reynoldsa od 1mln do 100 mln. Owady które by� moŻe pozwoli na rozwiązanie
MA�A PRóDKO��
są ma"e i latają wolno  ich ruchowi od- zagadki ruchu owadów: opóęnionego
powiadają liczby Reynoldsa od 100 do oderwania. W przypadku samolotu ode-
SI�A
NO�NA
1000, a dla najmniejszych owadów, jak rwanie wyst�puje wtedy, gdy tzw. kąt na-
WIR NA
popularne szkodniki ogrodowe, przyl- tarcia jest zbyt duŻy (lotnicy nazywają to
KRAWóDZI
NATARCIA
Żeł
ce, jest ona nawet mniejsza od 100. zjawisko przeciągni�ciem). Dla ma"ego
kąta natarcia strumieł
powietrza dzieli
MODEL JAK �YWY si� przy zetkni�ciu ze skrzyd"em na dwa
ABY ZDOBY� INFORMACJE, jak ruch skrzy- strumienie op"ywające skrzyd"o po gór-
de" muszki owocowej generuje si"� no- nej i dolnej jego powierzchni. Strumieł

Ęną, w 1992 roku zbudowa"em wraz z górny porusza si� szybciej, co powodu-
Karlem G�tzem (obaj pracowaliĘmy je, Że ciĘnienie nad skrzyd"em jest mniej-
wówczas w Max-Planck-Institut f�r bio- sze niŻ pod nim  ciągnie to skrzyd"o
logische Kibernetik w Tybindze) model w gór�, a wi�c daje si"� noĘną. JeĘli kąt
skrzyd"a w postaci "opatki o rozmiarach natarcia jest zbyt duŻy, to strumieł
po-
5 na 20 cm, poruszanej za pomocą kil- wietrza nad skrzyd"em nie moŻe prze-
ku silników w duŻym zbiorniku z g�- p"ywa� po jego powierzchni i odrywa si�
stym roztworem cukru. DuŻe rozmiary od skrzyd"a, co powoduje znaczną utra-
SKRZYD�O SAMOLOTU wytwarza si"�
skrzyde", ma"a pr�dkoĘ� ich ruchu oraz t� si"y noĘnej.
noĘną, wykorzystując aerodynamik�
duŻa lepkoĘ� p"ynu pozwoli"y nam uzy- W jaki sposób oderwanie  z tak dra-
ustaloną (rysunek górny). Przep"yw
ska� taką samą liczb� Reynoldsa, a wi�c matycznymi konsekwencjami dla samo-
powietrza nad skrzyd"em jest szybszy
niŻ pod nim, co daje obszar obniŻo-
takie same w"aĘciwoĘci fizyczne, jak lotu  moŻe pomóc owadowi unosi� si�
nego ciĘnienia i si"� skierowaną ku gó-
w przypadku ruchu skrzyde" muszki w powietrzu? Odpowiedę ma związek
rze. JeĘli kąt natarcia jest zbyt duŻy (ry-
w powietrzu. z szybkoĘcią ruchu skrzyde" owada. Ode-
sunek dolny), na skrzydle nast�puje
Nasze skrzyd"o zaopatrzyliĘmy w czuj- rwanie nie pojawia si� natychmiast 
oderwanie. Kiedy si� ono zaczyna, na
przedniej kraw�dzi natarcia tworzy si� nik umoŻliwiający pomiar si"y noĘnej przep"yw, który daje si"� noĘną, zmie-
wir o duŻej pr�dkoĘci ruchu powietrza,
i si"y oporu powstających podczas ru- nia swój charakter dopiero po pewnym
a to na chwil� zwi�ksza si"� noĘną. Wir
chu skrzyd"a w lepkim p"ynie. Na koł
- czasie od zmiany kąta natarcia. Na po-
ten oddziela si� jednak szybko od skrzy-
cach skrzyd"a umieĘciliĘmy p"ytki brze- czątku fazy oderwania si"a noĘna nawet
d"a i w efekcie si"a noĘna znacznie si�
gowe, które uniemoŻliwia"y przep"yw chwilowo wzrasta w wyniku powstania
zmniejsza.
34 �WIAT NAUKI SIERPIEĄ 2001
ILUSTRACJE: BRYAN CHRISTIE
WYCHWYCENIE �LADU
3 4 5
�LAD PO
POPRZEDNIM
UDERZENIU
krótkotrwa"ej struktury op"ywu, nazy- W po"owie lat dziewi��dziesiątych wy-
wanej wirem na kraw�dzi natarcia. Wir niki uzyskane z zastosowaniem uprosz-
Owady najwczeĘniej wykszta"ci"y
to specjalny przep"yw p"ynu, który wy- czonych modeli dwuwymiarowych zo-
zdolno� aktywnego lotu.
st�puje w tornadach lub w wannie, kiedy sta"y uogólnione przez Ellingtona i jego
wypuszczamy z niej wod�. wspó"pracowników w Cambridge na
Wi�kszoĘ� owadów ma dwie
Wir na kraw�dzi natarcia tworzy si� przypadek trójwymiarowy. Badali oni du-
tuŻ ponad i za przednią kraw�dzią skrzy- Żą �m� z rodziny zawisakowatych, Man- pary skrzyde". Uwstecznione
d"a  ma posta� d"ugiego wiru walco- duca sexta, latającą na uwi�zi w tunelu
i przekszta"cone w tzw. przezmianki
wego o poziomej osi. Przep"yw powie- aerodynamicznym, a takŻe trójwymiaro-
tylne skrzyd"a much mają inną
trza jest tam bardzo szybki, co powoduje wą �m�-robota. Smugi dymu (z tzw. ge-
funkcj� niŻ normalnie rozwini�te
w rezultacie bardzo ma"e ciĘnienie, a neratora dymu) pozwala"y stwierdzi�, Że
skrzyd"a przednie  m.in. pe"nią
wi�c znaczną si"� noĘną. Zjawisko to za- istotnie podczas ruchu skrzyd"a w dó" na
uwaŻyli juŻ brytyjscy inŻynierowie lot- jego kraw�dzi tworzy si� wir. Zespó" El- rol� maleł
kich czujników i dzia"ają
niczy na początku lat trzydziestych; trwa lingtona wysuną" hipotez�, Że osiowy
jak Żyroskop, dostarczając owadowi
ono jednak zbyt krótko, by mog"o by� strumieł
powietrza p"ynący od nasady
informacji o jego po"oŻeniu
wykorzystane w wi�kszoĘci statków po- do koł
ca skrzyd"a, wspomaga to zjawi-
w powietrzu.
wietrznych. Wir bardzo szybko odrywa sko, gdyŻ zmniejsza wprawdzie nat�Żenie
si� od skrzyd"a i gubi si� w Ęladzie wiro- wiru, ale stabilizuje go, utrzymując przy
Do ruchu w powietrzu owad
wym samolotu, przy czym gwa"townie skrzydle aŻ do koł
ca ruchu w dó". Taki
spada si"a noĘna  a wi�c i samolot. strumieł
osiowy moŻe by� szczególnie potrzebuje 10 razy wi�cej energii
Owad natomiast porusza skrzyd"ami tak silny w przypadku wi�kszych owadów,
na sekund� niŻ do ruchu na ziemi.
szybko, Że zaraz je obraca i zaczyna ich jak duŻe �my i waŻki, gdyŻ koł
ce ich
Jednak jeĘli chodzi o przebytą
ruch w drugą stron�, przy czym powsta- skrzyde" pokonują duŻe odleg"oĘci.
drog�, lot jest cztery razy bardziej
je nowy wir, o przeciwnym kierunku ob- ChociaŻ zauwaŻenie tego zjawiska
wydajny energetycznie niŻ ruch
rotu, zanim jeszcze poprzedni zaniknie. przyczyni"o si� do rozwiązania waŻnej
cz�Ęci uk"adanki, istnieją liczne wska- na ziemi. Latanie jest nie"atwą
zówki, Że prócz opóęnionego oderwa- sztuką, ale bardzo przydaje si�
nia owady wykorzystują takŻe inne me-
zwierz�tom, które ją posiad"y.
chanizmy aerodynamiczne. Po pierwsze,
dodatkowa si"a noĘna pochodząca od
Owady mają najbardziej
opóęnionego oderwania jest wprawdzie
róŻnorodną struktur� skrzyde"
dostatecznie duŻa, by da"o si� wyjaĘni�,
dlaczego owady utrzymują si� w powie- spoĘród wszystkich
trzu, ale zbyt ma"a, by moŻna by"o uza-
zwierząt latających.
sadni� fakt, Że wiele z nich moŻe unieĘ�
ci�Żar niemal równy swojej wadze. Po
Mi�Ęnie wykorzystywane przez
drugie, w wielu badaniach mierzono si-
owady do lotu wykazują najwi�kszą
"y wytwarzane przez owady, przywiązu-
PRZEP�YW POWIETRZA wokó" pi"ki tenisowej
szybko� przemiany materii
jąc je do czu"ych czujników si"y. Wyniki
zagranej podci�ciem wytwarza si"� noĘną. To sa-
tych pomiarów naleŻy interpretowa�
ze wszystkich tkanek.
mo zjawisko wykorzystują owady, obracając skrzy-
d"a na koł
cu kaŻdego uderzenia nimi. z duŻą ostroŻnoĘcią  zwierz�ta na uwi�-
SIERPIEĄ 2001 �WIAT NAUKI 35
zi nie muszą zachowywa� si� dok"adnie twarzają si"� noĘną na skrzydle trady-
tak samo, jak latające swobodnie  wska- cyjnym. Zagranie podci�ciem pi"ki teni-
zują jednak one, Że zaleŻnoĘ� si"y od cza- sowej [rysunek na stronie 35 na dole] po-
su nie odpowiada dok"adnie temu, co woduje, Że pi"ka si� wznosi. Natomiast
przewiduje hipoteza opóęnionego ode- uderzenie topspinowe Ęciąga pi"k� w dó".
rwania. Na przyk"ad pomiary si" wytwa- Skrzyd"o róŻni si� bardzo od pi"ki, lecz
rzanych przez muszk� owocową, prze- jego obrót powinien wytwarza� pewną
prowadzone przez G�tza laserową dodatkową si"� noĘną zgodnie z tymi sa-
metodą dyfrakcyjną, wykaza"y, Że naj- mymi zasadami ogólnymi.
wi�ksza si"a wyst�puje przy ruchu skrzy- Aby sprawdzi� t� hipotez�, obracali-
d"a w gór�  a wi�c w czasie, gdy si"a Ęmy skrzyd"o w róŻnych fazach jego ru-
pochodząca od opóęnionego oderwania chu. JeĘli obrót nast�puje na koł
cu ude-
powinna by� ma"a. rzenia skrzyd"a, to jego kraw�dę natarcia
W"aĘnie z myĘlą o poszukiwaniu in- obraca si� do ty"u w stosunku do kierun-
nych zjawisk nieustalonych w 1998 ro- ku jego ruchu, wi�c powinna si� pojawi�
ku wraz z Fritzem-Olafem Lehmannem si"a unosząca skrzyd"o jak po zagraniu
i Sanjayem P. Sane em zbudowaliĘmy podci�ciem pi"ki tenisowej. Gdy natomiast
duŻy model muszki owocowej porusza- skrzyd"o wykona obrót póęniej, na po-
jący skrzyd"ami  robomuch�. Skrzyd"a czątku nast�pnego uderzenia, to kraw�dę
robota o d"ugoĘci 25 cm, poruszające natarcia obraca si� do przodu i powinna
si� w g�stym oleju mineralnym z pi�cio- pojawi� si� si"a skierowana w dó" jak przy
sekundowym okresem, są zbliŻone dy- ruchu pi"ki po uderzeniu topspinowym.
namicznie do skrzyde" muszki owoco- Wyniki pomiarów dla robomuchy są ca"-
wej o d"ugoĘci 2.5 mm, poruszających kowicie zgodne z tymi przewidywania-
si� w powietrzu z cz�stotliwoĘcią 200 mi, z czego wynika, Że w efekcie obrotu
cykli na sekund�. BadaliĘmy dwie waŻ- skrzyde" powstaje znaczna si"a noĘna.
ne wielkoĘci  si"� aerodynamiczną wy- Zjawisko to nie pozwala jednak wy-
wieraną na skrzyd"a i op"yw p"ynu wo- jaĘni� innej duŻej si"y pojawiającej si�
kó" nich  które są praktycznie nie- na początku ruchu skrzyd"a w gór�
moŻliwe do wyznaczenia dla skrzyde" i w dó". Dodatkowe doĘwiadczenia po-
prawdziwej muchy. Cho� robomucha zwoli"y stwierdzi�, Że za te si"y odpo-
zosta"a zaprojektowana jako odpowied- wiedzialne jest zjawisko zwane wychwy-
nik muszki owocowej, to programując ceniem Ęladu, tzn. interakcji skrzyd"a ze
odpowiednio szeĘ� silników, które na- Ęladem ciągnącym si� za skrzyd"em po
p�dzają oba skrzyd"a, da si� odtworzy� jego poprzednim uderzeniu.
ruch skrzyde" wielu innych owadów. Po- Za poruszającym i obracającym si�
nadto moŻemy spowodowa�, Że robo- skrzyd"em powstaje z"oŻony Ęlad wirowy
mucha b�dzie macha� skrzyd"ami w zawierający liczne wiry, podobnie jak
okreĘlony sposób, by móc testowa� róŻ- kilwater za rufą "odzi. Gdy skrzyd"o za-
ne hipotezy, co jest luksusem nieosią- wraca, wchodzi w ten obszar zawiro-
galnym w doĘwiadczeniach z Żywymi wanego powietrza. �lad wirowy niesie
zwierz�tami, które w warunkach labora- energi� przekazaną mu przez owada,
toryjnych są zwykle doĘ� kapryĘne. a wi�c w czasie interakcji skrzyd"a z tym
Ęladem owad ma okazj� odzyska� cz�Ę�
WYNIKI DO�WIADCZEĄ tej energii  moŻna powiedzie�, Że za-
GDY ROBOMUCHA porusza"a skrzyd"ami chodzi wtedy recykling energii. Aby
jak muszka owocowa, nasze pomiary si- sprawdzi� hipotez� interakcji ze Ęladem,
"y dawa"y zaskakujące wyniki. DuŻe,
krótkotrwa"e si"y wytwarzane by"y na
JE�LI CHCESZ WIEDZIE� WIóCEJ
początku i na koł
cu kaŻdego ruchu, co
nie daje si� wyt"umaczy� za pomocą zja-
The Biomechanics of Insect Flight: Form, Func-
wiska opóęnionego oderwania. Te duŻe tion, Evolution. Robert Dudley; Princeton Uni-
versity Press, 2000.
si"y pojawiają si� przy zmianie kierunku
Mechanika lotu owadów a mikrosamoloty  ro-
ruchu skrzyde", gdy skrzyd"a zwalniają
la modelowania op"ywu skrzyd"a owada. Jó-
i gwa"townie si� obracają, wi�c ich po- zef Pietrucha i Krzysztof Sibilski; Prace Insty-
tutu Lotnictwa, nr 160, str. 55, 2000.
wstawanie moŻe by� związane z obro-
Witryna internetowa zespo"u badawczego auto-
tem skrzyd"a.
ra artyku"u: socrates.berkeley.edu/~flymanmd/
Informacje o początkach historii o niemoŻnoĘci
Podczas ruchu w powietrzu obracają-
lotu trzmiela moŻna znaleę� na stronie:
cych si� obiektów powstają przep"ywy
www.math.niu.edu/~rusin/known-math/98/
powietrza podobne do tych, które wy- bees
ca"kowicie zatrzymaliĘmy skrzyd"o ro-
bomuchy na koł
cu uderzenia. Okaza"o
si�, Że nieruchome skrzyd"a by"y ęró-
d"em si"y, gdyŻ otaczający je p"yn wciąŻ
si� porusza".
Cho� wychwycenie Ęladu nast�puje
zawsze na początku ruchu skrzyd"a
w dó" lub w gór�, to owad moŻe zmie-
nia� warto� i kierunek wytwarzanej
przy tym si"y przez odpowiedni dobór
chwili obrotu skrzyde". JeĘli obrót skrzy-
d"a nast�puje wczeĘniej, to ma ono ko-
rzystny kąt natarcia w chwili spotkania
ze Ęladem, co daje duŻą si"� skierowa-
ną do góry. JeĘli natomiast skrzyd"o ob-
raca si� póęniej, to interakcja ze Ęladem
jest ęród"em si"y skierowanej w dó".
Zjawiska te  wychwycenie Ęladu i ob- MUCHA PLUJKA (Calliphora) w doĘwiadczeniu, w którym mierzy si� aktywnoĘ� elektryczną jej mi�-
Ęni podczas ruchu skrzyde" w róŻnych fazach lotu.
rót skrzyd"a  pozwalają równieŻ zrozu-
mie� aerodynamik� sterowania lotem:
jak owad zmienia kierunek ruchu. Za-
obserwowano, Że owady zmieniają chwi-
l� obrotu skrzyde", gdy chcą skr�ci�. Na
przyk"ad jeĘli jedno skrzyd"o obraca si�
wczeĘniej, co zwi�ksza si"� noĘną, a dru-
gie obraca si� póęniej, co daje mniejszą
si"� noĘną, to owad przechyla si� i za-
kr�ca w poŻądanym kierunku. Owady
dysponują wieloma rodzajami czujni-
ków  oczami, przezmiankami (prze-
kszta"conymi i uwstecznionymi skrzy-
d"ami) dzia"ającymi jak Żyroskop i ca"ym
zespo"em czujników mechanicznych na
skrzyd"ach  dzi�ki czemu mogą precy-
zyjnie dobiera� chwil� obrotu, warto�
maksymalnego wychylenia i inne para-
metry ruchu skrzyde".
NARZECZONY ROBOMUCHY
DZIóKI PRACY wielu badaczy spójna teo-
ria lotu owadów jest niemal gotowa, lecz
nie znamy jeszcze odpowiedzi na wszyst-
kie pytania. Istnieje wiele owadów o roz-
maitych kszta"tach, wielkoĘci i sposo-
bie zachowania si�, od maleł
kich przyl-
PROTOTYP MIKROMECHANICZNEGO MODELU owada konstruowany w Robotics and Intelligent
Żeł
ców do wielkich ciem, od owadów
Machines Laboratory w University of California ma mie� parametry zbliŻone do muchy plujki.
o jednej parze skrzyde", jak muszka owo-
cowa, do siatkoskrzyd"ych, mających
dwie pary skrzyde", które poruszają si� utrzymywania si� owadów w locie, co by móg" lata� po linii prostej i zatacza�
z niepe"ną synchronizacją, i chrząszczy, jest najtrudniejsze do wyjaĘnienia, gdyŻ ko"a, dzi�ki czemu b�dziemy testowa�
posiadających oprócz poruszających si� owady nie mogą korzysta� z si"y noĘnej hipotezy dotyczące mechanizmu wyko-
b"oniastych skrzyde" dwie nieruchome, pochodzącej od stacjonarnego przep"y- nywania przez owady zadziwiająco
twarde pokrywy skrzyd"owe stanowiące wu powietrza, jak samoloty. MoŻe jed- ostrych zwrotów za pomocą doboru pa-
na ziemi ich pancerz. Nikt nie wie, w ja- nak lecące owady wykorzystują inne zja- rametrów ruchu skrzyde". PoznaliĘmy
kim stopniu wyniki uzyskane dla musz- wiska aerodynamiczne, by wytworzy� juŻ z grubsza podstawowe sztuczki sto-
ki owocowej moŻna zastosowa� do opi- dodatkową si"� noĘną? Wielu badaczy sowane przez owady do utrzymania si�
su ruchu takiego mnóstwa innych szuka odpowiedzi na to intrygujące py- w powietrzu, ale prawdziwa zabawa do-
owadów. tanie. Na przyk"ad mój zespó" buduje piero si� zaczyna.
W przeprowadzonych dotychczas ba- teraz nast�pc� robomuchy, który zosta-
T"umaczy"
daniach skupiono si� na zagadnieniu nie umieszczony w tak duŻym zbiorniku, Miros"aw �ukaszewski
SIERPIEĄ 2001 �WIAT NAUKI 37