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Wenn eine Fliege zum ersten Mal ihre Flügel entfaltet, entfaltet sie eine Origami-Struktur zu einer starren und funktionellen Oberfläche. Der Mechanismus, der für diesen spektakulären Formwechsel verantwortlich ist, war bisher weitgehend unbekannt, und es gab kein physikalisches Modell, das ihn erklären konnte.
Forscher des Instituts für industrielle thermische Systeme (IUSTI, Aix-Marseille Université/CNRS), des Instituts für Entwicklungsbiologie in Marseille (IBDM, Aix-Marseille Université/CNRS) und des Instituts für Forschung zu Nichtgleichgewichtsphänomenen (IRPHE, Aix-Marseille Université/Centrale Marseille/CNRS) haben die mechanische Analyse dieser Transformation durchgeführt und ein Modell entwickelt, das die Existenz eines Arbeitspunkts aufzeigt, den das Insekt zur Entfaltung seiner Flügel nutzt.
Um die Entfaltung der Flügel eines Insekts zu beobachten, arbeitete das Team mit der Drosophila, einer kleinen Fliege, die in der Entwicklungsbiologie weit verbreitet ist. Mithilfe eines Stereomikroskops wurde zunächst der makroskopische Prozess gefilmt: Die beiden Flügel verwandeln sich gleichzeitig und wechseln innerhalb von etwa zehn Minuten von einer gefalteten 3D-Struktur zu einer flachen, entfalteten Oberfläche.
Die innere Struktur des Flügels vor dem Entfalten wurde durch eine Röntgentechnik, die Mikrotomographie, sichtbar gemacht, die es ermöglicht, seine 3D-Struktur zu rekonstruieren: Der Flügel besteht aus zwei Platten von 6,5 µm Dicke, die durch ein Netzwerk von 7,5 µm hohen Säulen verbunden sind, und wird von Adern durchzogen. Auf einer noch feineren Skala zeigt die Elektronenmikroskopie, dass jede Platte eine einzellige Schicht enthält, die von einer anfangs gefalteten starren Schicht bedeckt ist. Während der Entfaltung des Flügels dehnen sich die Zellen, während sich die gefaltete Schicht entfaltet, ohne sich zu verlängern, wodurch die Größe der endgültigen Struktur festgelegt wird.
(a) Momentaufnahmen der Entfaltung der Drosophila-Flügel.
(b) (i) Röntgenmikrotomographie der gefalteten Flügel. (ii) Querschnitt, der die makroskopischen Falten, die Struktur der Adern (weiße Pfeile) und die inneren Säulen zeigt. (iii) Senkrechter Schnitt, der die hexagonale Anordnung der Säulen offenbart. Die Skizze fasst die Struktur des Flügels zusammen: zwei Platten, die durch Säulen in einem hexagonalen Netzwerk verbunden sind.
(c) Das Blut, visualisiert durch fluoreszierende Kügelchen, wird während der Entfaltung in den gesamten Flügel gepumpt.
(d) Messung des Innendrucks eines Insekts. Die Entfaltung der Flügel erfolgt im grau markierten Bereich bei konstantem Druck.
© S. Hadjaje
Die Druckschwankungen des Blutflusses wurden während der Entfaltung des Flügels gemessen: Es ist der schnelle Anstieg dieses Drucks, der das Entfalten durch hydraulische Wirkung verursacht, ähnlich wie bei einer aufblasbaren Matratze, bei der der Druck die Ausdehnung in der Ebene zweier durch Säulen verbundener Platten steuert. Auch die mechanischen Eigenschaften des Flügels (Festigkeit, viskoelastische Eigenschaften) wurden gemessen.
Ein physikalisches Modell, basierend auf der Struktur des Flügels und seinen mechanischen Eigenschaften, ermöglichte numerische Simulationen des Entfaltungsprozesses unter dem Einfluss des Blutdrucks. Sie zeigten, dass die Fliege einen Arbeitspunkt nutzt, der eine große Ausdehnung bei relativ geringer Druckänderung ermöglicht, dank der Geometrie des Flügels und der mechanischen Eigenschaften des Materials.
Einige Aspekte des Prozesses bleiben jedoch noch zu klären, wie seine Irreversibilität (einmal entfaltet, faltet sich der Flügel nicht wieder zusammen) oder die Ebenheit des Flügels. Ist der beschriebene Mechanismus allgemein auf andere Insekten anwendbar?
Darüber hinaus erweitern diese Forschungen außerhalb des Bereichs der Biologie das Verständnis der Mechanik von weichen Strukturen, die ihre Form ändern können. Sie eröffnen somit neue Perspektiven für Anwendungen im Bereich der entfaltbaren Strukturen oder der flexiblen Robotik.
Referenzen:
Mechanics of Drosophila wing deployment.
Simon Hadjaje, Ignacio Andrade-Silva, Marie-Julie Dalbe, Raphaël Clément, Joël Marthelot.
Nature Communications, 11. Dezember 2024.
https://doi.org/10.1038/s41467-024-54527-0
Artikel verfügbar im Open-Access-Archiv HAL