잠자리가 떨어지는 동안 스스로를 바로 잡는 방법의 교훈

쭉 뻗은 몸, 거대한 날개 길이, 무지개 빛깔의 색채를 지닌 잠자리는 독특한 광경을 볼 수 있습니다. 그러나 그들의 독창성은 외모로 끝나지 않습니다. 지구상에서 가장 오래된 곤충 종 중 하나인 이 곤충은 초기에 공중 비행을 혁신한 사람입니다.

이제 Cornell University College of Engineering의 기계 및 항공 우주 공학 교수인 Jane Wang이 이끄는 그룹은 잠자리가 떨어지는 동안 스스로 바로잡을 수 있도록 하는 복잡한 물리학 및 신경 제어를 풀었습니다.

이 연구는 잠자리의 눈(모두 다섯 개)에서 시작하여 근육과 날개 피치를 통해 계속되는 일련의 메커니즘을 보여줍니다.

팀의 논문 "Recovery Mechanisms in the Dragonfly Righting Reflex"는 Science에 5월 12일 게재되었습니다. . Wang은 버지니아주 Ashburn에 있는 Howard Hughes Medical Institute(HHMI)의 James Melfi 박사 및 Anthony Leonardo와 함께 논문을 공동 저술했습니다.

20년 동안 Wang은 곤충 비행의 역학을 이해하기 위해 복잡한 수학적 모델링을 사용해 왔습니다. Wang에게 물리학은 생물의 진화를 설명하는 데 유전만큼 중요합니다.

“곤충은 가장 풍부한 종이며 공중 비행을 처음으로 발견했습니다. 잠자리는 가장 오래된 곤충 중 하나입니다.”라고 Wang은 말했습니다. “공중에서 어떻게 스스로를 바로잡는지 관찰하면 비행의 기원과 동물이 공중에서 균형을 잡고 우주를 탐색하기 위해 신경 회로를 진화시킨 방법에 대한 통찰력을 얻을 수 있습니다. 그들의 궤적은 복잡하고 예측할 수 없습니다. 잠자리는 명백한 방향을 따르지 않고 끊임없이 기동합니다. 신비롭습니다.”

이러한 비행 역학과 이를 제어하는 ​​내부 알고리즘을 연구하기 위해 팀은 잠자리를 자기 밧줄에서 거꾸로 떨어뜨리는 제어된 행동 실험을 설계했습니다. 특정 "하드와이어 반사"로 인해 고양이가 발에 착지했습니다. 그들은 다리를 대지 않고 조심스럽게 잠자리를 풀어 놓음으로써 곤충의 혼란스러운 기동이 실제로 동일한 패턴의 움직임을 따랐다는 것을 발견했으며, 연구자들은 초당 4,000프레임으로 촬영하는 3대의 고속 비디오 카메라로 이를 포착할 수 있었습니다. 잠자리의 날개와 몸에 마커를 붙이고 3D 추적 소프트웨어를 통해 동작을 재구성했습니다.

연구자들은 날개와 공기 상호 작용의 불안정한 공기 역학에서 잠자리의 몸이 날개가 퍼덕거리는 것에 반응하는 방식에 이르기까지 수많은 요인을 고려해야 했습니다. 또한 지상의 모든 존재가 결국 싸워야 하는 끈질긴 힘이 있습니다. 바로 중력입니다.

Wang과 Melfi는 잠자리의 곡예 비행을 성공적으로 시뮬레이션한 계산 모델을 만들 수 있었습니다. 하지만 한 가지 중요한 질문이 남았습니다. 잠자리는 자신이 떨어지는 것을 어떻게 알고 궤적을 바로잡을 수 있을까요?

Wang은 관성 감각이 있는 인간과 달리 잠자리가 두 개의 시각 시스템(한 쌍의 큰 겹눈과 ocelli라고 불리는 세 개의 단순한 눈)에 의존하여 직립도를 측정할 수 있다는 것을 깨달았습니다.

잠자리의 눈을 물감으로 막고 실험을 반복하면서 이론을 검증했다. 이번에는 잠자리가 비행 중 회복하는 데 훨씬 더 어려움을 겪었습니다.

"이러한 실험은 시각이 잠자리의 정위반사를 시작하는 첫 번째이자 지배적인 경로임을 시사합니다."라고 Wang은 말했습니다.

그 시각적 신호는 잠자리의 네 날개에 신경 신호를 보내는 일련의 반사 신경을 촉발합니다. 잠자리의 네 날개는 그에 따라 왼쪽 날개와 오른쪽 날개 피치 비대칭을 조절하는 직접적인 근육 세트에 의해 구동됩니다. 3~4번의 날개짓으로 텀블링 잠자리는 180도 구르며 다시 오른쪽으로 날아갈 수 있습니다. 전체 프로세스는 약 200밀리초가 걸립니다.

Wang은 "어려웠던 것은 실험 데이터에서 핵심 제어 전략을 알아내는 것이었습니다."라고 말했습니다. “미량의 피치 비대칭이 관찰된 회전으로 이어질 수 있는 메커니즘을 이해하는 데 매우 오랜 시간이 걸렸습니다. 키 비대칭은 다른 많은 변경 사항들 사이에 숨겨져 있습니다."

운동학적 분석, 물리적 모델링 및 3D 비행 시뮬레이션의 조합은 이제 연구자들이 동물의 관찰된 행동과 이를 제어하는 ​​내부 절차 사이의 중요한 연결을 추론할 수 있는 비침습적 방법을 제공합니다. 이러한 통찰력은 소형 비행 기계 및 로봇의 성능을 개선하려는 엔지니어도 사용할 수 있습니다.

Wang은 “수십 밀리초 또는 수백 밀리초의 시간 척도에 대한 비행 제어는 엔지니어링하기 어렵습니다. “작은 날개를 펄럭이는 기계는 이제 이륙하고 회전할 수 있지만 여전히 공중에 남아 있는 데 문제가 있습니다. 기울어지면 수정하기 어렵습니다. 동물들이 해야 할 일 중 하나는 바로 이러한 문제를 해결하는 것입니다.”