Complesso basale: un componente alare intelligente per il morphing automatico della forma

May 31, 2023

Biologia delle comunicazioni volume 6, numero articolo: 853 (2023) Citare questo articolo

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Le ali degli insetti sono strutture adattive che rispondono automaticamente alle forze di volo, superando persino i sistemi di trasformazione della forma ingegneristici all’avanguardia. Un'ipotesi ampiamente accettata ma non ancora esplicitamente testata è che una componente 3D nella regione prossimale dell'ala, nota come complesso basale, determini la qualità dei cambiamenti della forma dell'ala durante il volo. Attraverso il nostro studio, convalidiamo questa ipotesi, dimostrando che il complesso basale gioca un ruolo cruciale sia nella qualità che nella quantità delle deformazioni alari. Variazioni sistematiche dei parametri geometrici del complesso basale in una serie di modelli numerici suggeriscono che le ali hanno subito adattamenti per raggiungere la massima campanatura sotto carico. Ispirandoci al design del complesso basale, sviluppiamo un meccanismo di morphing che può facilitare il cambiamento di forma delle pale morphing per le turbine eoliche. Questa ricerca migliora la nostra comprensione della biomeccanica delle ali degli insetti e fornisce approfondimenti per lo sviluppo di sistemi ingegneristici semplificati di trasformazione della forma.

Uccelli e pipistrelli possiedono muscoli del volo che controllano attivamente i movimenti e le deformazioni delle ali, migliorando così le loro prestazioni di volo. Al contrario, le ali degli insetti sono prive di muscoli, ad eccezione di quelli che si trovano nel torace e controllano i movimenti delle ali nella regione basale delle ali. Le ali degli insetti sono invece costituite da componenti strutturali che consentono loro di rispondere automaticamente alle forze di volo1,2,3,4,5,6. Le risposte controllate includono flessione, torsione e formazione di camber per un'efficiente generazione di portanza e spinta2,7,8. Sebbene i muscoli del volo diretto nel torace possano modificare e controllare il profilo della base dell'ala in misura limitata, la mancanza di muscoli all'interno delle ali degli insetti richiede il controllo automatico della forma delle ali oltre la base dell'ala, codificato nel design strutturale dell'ala e nella composizione del materiale9. Questa caratteristica distintiva delle ali degli insetti, vale a dire il controllo automatico della forma, le rende uniche tra tutti i sistemi naturali e ingegneristici e, cosa ancora più importante, un potenziale candidato per applicazioni ingegneristiche che cercano di ottenere il controllo automatico della forma10,11.

Le libellule e le libellule dell'ordine degli insetti Odonati superano quasi tutti gli altri insetti in termini di prestazioni di volo. Esibiscono un volo intrigantemente sofisticato grazie alle loro ali altamente specializzate1,2,3,4,5,6,7,8,9. Molte delle caratteristiche dell'ala, inclusi gradienti delle proprietà del materiale12,13 e spessore14,15, schema di venatura2,16,17, ondulazione18,19, nodus16,20, pterostigma21, articolazioni venose e punte associate alle articolazioni22,23, patch di resilina24,25, 26, l'ultrastruttura delle vene23,27, le linee di flessione28 e il complesso basale4,29,30 contribuiscono alla deformabilità automatica delle ali dell'odonatano e, in particolare, alla formazione della campanatura alare. Un'ipotesi ampiamente accettata ma non ancora esplicitamente testata è che il complesso basale - una struttura tridimensionale alla base dell'ala con una speciale disposizione delle vene - sia la chiave per determinare la qualità delle deformazioni delle ali nelle specie odonatane2,16,29. Sebbene la forma, la dimensione e la posizione del complesso basale all'interno dell'ala, che comprende gran parte della regione prossimale dell'ala, suggeriscano che questa possa essere un'ipotesi ragionevole, i dati della letteratura sono per lo più descrittivi e indagini quantitative e/o sistematiche di il ruolo del complesso basale nelle deformazioni alari è ancora raro4,31,32. Uno studio completo che stabilisca un collegamento tra la struttura, il materiale e le prestazioni meccaniche del complesso basale può aiutarci a colmare questa lacuna della letteratura. Questo è lo scopo generale di questo studio.

Qui abbiamo raccolto selettivamente tre specie di Odonata, tra cui Ischnura elegans (Coenagrionidae), Calopteryx splendens (Calopterygidae) e Sympetrum vulgatum (Libellulidae) con complessi basali e stili di volo morfologicamente diversi. Abbiamo utilizzato una combinazione di metodi sperimentali e tecniche di imaging, tra cui la microscopia elettronica a scansione (SEM), la tomografia microcomputerizzata (micro-CT), la microscopia confocale a scansione laser (CLSM), la microscopia a fluorescenza ad ampio campo (WFM), test meccanici, test analisi degli elementi (FEA), modellazione parametrica, progettazione concettuale e stampa 3D per (1) esaminare sia la struttura che il materiale del complesso basale, (2) caratterizzare il modo in cui influenzano il comportamento meccanico del complesso basale, (3) determinare il ruolo del complesso basale nelle deformazioni delle ali e (4) utilizzare concetti di progettazione ispirati alle ali in un'applicazione del mondo reale. I nostri risultati sono significativi in ​​quanto non solo migliorano la nostra comprensione della biomeccanica delle ali degli insetti, ma informano anche la progettazione di strutture che cambiano forma che non richiedono complicati controlli attivi.