Механика полета и плавания мельчайших перепончатокрылых насекомых (Hymenoptera)

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-74-10010

НазваниеМеханика полета и плавания мельчайших перепончатокрылых насекомых (Hymenoptera)

Руководитель Фарисенков Сергей Эдуардович, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова» , г Москва

Конкурс №71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-101 - Зоология

Ключевые слова Миниатюризация, насекомые, Insecta, Hymenoptera, полет, плавание, вычислительная гидродинамика, упругие деформации, численное моделирование, морфология

Код ГРНТИ34.33.19

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Изучение полета насекомых это активно развивающееся направление в современной науке, которое находится на стыке биологии и физики. Полет насекомых давно вызывает интерес у исследователей, которые стремятся применить принципы машущего полета в рукотворных летательных аппаратах. На данный момент механика полета крупных насекомых достаточно детально изучена (Chin, Lentink, 2016), что, в связи с миниатюризацией электронных и механических компонентов, помогало в создании беспилотников с машущим крылом, во многом копирующих полет насекомых (Ma et al., 2013; Wang et al. 2018; Chen, Zhang, 2019; Jafferis et al., 2019). В то же время исследование полета мельчайших насекомых, длина тела которых составляет десятые доли миллиметра, является сложнейшей задачей, решение которой стало возможным только в последние годы, в том числе благодаря работе нашего научного коллектива. Мельчайшие из известных науке виды насекомых по своим размерам сопоставимы с одноклеточными организмами. Несмотря на значительные изменения в строении большинства систем органов (Polilov, 2016), которые сопровождают миниатюризацию, микронасекомые сохраняют общую сложность организации тела. Нами было показано, что мельчайшие насекомые сохраняют также и способность к активному быстрому полету (Farisenkov et al., 2020). Нами были исследованы аэродинамические свойства перистых крыльев (Kolomenskiy et al. 2020). Было выяснено, что при миниатюризации кинематика крыльев и механика полета в целом претерпевают значительные изменения (Farisenkov et al., 2022). Так, жуки-перокрылки (Ptiliidae) имеют уникальный крыловой цикл, состоящий из гребных и возвратных движений. Благодаря низкой инерции перистых крыльев для полета достаточна небольшая мощность и объем мускулатуры, отсутствует необходимость в накоплении энергии упругой деформации в птеротораксе. Наиболее миниатюрные летающие насекомые это перепончатокрылые наездники семейств Trichogrammatidae и Mymaridae. До сих пор механика полета наездников изучена на далеко не самых миниатюрных объектах, которые в разы крупнее (Lyu et al., 2019; Cheng, Sun, 2021). Изучение механики полета мельчайших перепончатокрылых выявит адаптации к полету у Hymenoptera и насекомых в целом в предельных случаях миниатюризации. Некоторые миниатюрные Hymenoptera могут использовать крыловой аппарат не только для полета, но и для плавания в воде (Фурсов, 2011). Однако данная уникальная среди насекомых способность не изучена. Остается неясным, какие структурные особенности крылового аппарата делают его универсальным и дают способность «летать» в воде и каковы особенности механики полета и плавания данных насекомых, что будет выяснено в ходе выполнения данного проекта. Поскольку многие микронасекомые имеют перистые крылья (жуки, перепончатокрылые, трипсы) чрезвычайно сложной морфологии, трехмерный расчет их аэродинамики требует специализированных вычислительных методов, которые способны моделировать взаимодействие с воздухом как всего объекта (крыла), так и его отдельных частей (щетинок) в большом диапазоне чисел Рейнольдса. Для этого необходимы очень большие вычислительные мощности. Примененный нами ранее адаптивный метод позволяет реализовать такие расчеты (Kolomenskiy et al., 2020; Farisenkov et al. 2022), но только с применением суперкомпьютеров и за длительное время (десятки дней). Таким образом, существует необходимость разработки новых алгоритмических подходов к расчету аэродинамики перистого крыла в различных средах, при адекватных требованиях к вычислительным мощностям и времени расчета. Настоящий проект направлен на комплексное изучение локомоции наездников, являющихся мельчайшими крылатыми насекомыми, в воздухе и воде. В рамках проекта мы выполним реконструкцию кинематики крыльев и тела одного из самых миниатюрных насекомых, Megaphragma amalphitanum, и изучим аэродинамику полета методами численного моделирования. В качестве сравнительного объекта также будет изучена механика полета несколько более крупного родственного вида Trichogramma telengai, имеющего мембранозные крылья. Благодаря этому будут выявлены адаптации к полету, связанные с экстремальной миниатюризацией. Будет выполнена скоростная съемка полета и плавания наездников-амфибий Tiphodytes gerriphagus, реконструкция их кинематики. На основе полученных данных будет рассчитана аэро- гидродинамика полета и плавания. Будет исследовано строение их крылового аппарата. Данная работа будет первым в мире комплексным исследованием локомоции насекомых-амфибий, использующих крылья для передвижения в разных средах. В ходе работы будет разработан новый метод численного моделирования аэродинамики крыльев сложной перистой геометрии, основанный на задании граничных условий проницаемости крыла и проскальзывания пограничного слоя. Это кратно ускорит расчеты при уменьшении требований к вычислительным мощностям. Будет разработан метод оценки упругих деформаций крыла под действием аэродинамических нагрузок и модель деформации птероторакса под действием внешних и внутренних сил. Новые результаты и методы, которые будут получены в процессе реализации проекта, существенно дополнят ранее полученные нами данные, и станут большим вкладом в науку о локомоции миниатюрных живых организмов. Проект объединяет в себе подходы классической морфологии, дополненные и расширенные современной методологией, а также новейшие вычислительные методы физики сплошных сред. Результаты проекта представляют ценность как для фундаментальной биологии и физики, так и для разработки новых принципов в проектировании беспилотных летательных и плавательных аппаратов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Работа в третий год проекта по изучению полета миниатюрных перепончатокрылых насекомых шла в пяти направлениях: - изучение скелета грудного отдела плавающих и неплавающих наезников - численное моделирование полета и плавания Tiphodytes gerriphagus - разработка моделей упругих деформаций крыльев - изучение влияния миниатюризации на летные характеристики насекомых - разработка методов исследования полета насекомых в естественной среде обитания По материалам сканирующей электронной микроскопии выполнен сравнительный анализ внешней морфологии T. gerriphagus и Trissolcus belenus. Несмотря на то, что T. belenus не способен к плаванию как T. gerriphagus, значимые различия в строении скелета торакса не обнаружены. Выполнена трёхмерная реконструкция кинематики и численное моделирование полета и плавания T. gerriphagus. Особенности механики плавания обусловлены прежде всего возрастанием влияния сил вязкого трения, а также наличием значимой выталкивающей силы в воде, компенсирующей большую часть веса тела. Генерация сил в кинематическом цикле при плавании более асимметричная, углы атаки выше, т.е. тип локомоции более приближен к гребному. Наличие выталкивающей силы в воде позволяет двигаться в более экономичном с точки зрения энергетики режиме, поэтому средняя мощность при плавании значительно ниже (9 Вт/кг по сравнению с 14 Вт/кг в случае полета). Вероятно, это также связано с более низкой температурой воды, ограничивающей скорость метаболизма мышц птероторакса. В случае плавания затрачивается дополнительная мощность (6 Вт/кг) во время раскрытия крыльев после возвратного движения, что связано с большей вязкостью среды и большей силой, необходимой для разделения крыльев в воде. По материалам трехмерной реконструкции кинематики измерены деформации крыльев. При плавании переднее крыло изгибается до 14° при взмахе вверх, деформация при взмахе вниз составляет 7°. В случае полета деформации менее выражены, но максимум так же приходится на взмах вверх (12°). Это согласуется с данными численного моделирования, т.к. экстремумы сил, генерируемых крыльями, выше при плавании, чем в полете. Жесткости крыла оценена с использованием моделей балки постоянного сечения и с кусочно-равномерным распределением жёсткости в 7 участках вдоль крыла. Согласно расчету по морфометрическим данным, жесткость максимальна вблизи основания крыла за счет толстых жилок, и составляет 262 Па*мм4. Жесткость второго участка самая низкая, 33 Па*мм4 , и возрастает до 79 Па*мм4 на 6 участке, где ширина крыловой пластинки наибольшая. Эти расчеты согласуются с профилем деформаций крыла, зафиксированным на видео, наибольший изгиб наблюдается в проксимальной части крыла на небольшом удалении от основания. Выполнены численные оценки деформаций крыла различными методами. Простейшая оценка деформаций, основанная на модели балки постоянного сечения со средней изгибной жёсткостью 95.5 Па*мм4 и статической нагрузкой показала явно заниженное линейное отклонение вершины крыла 0.1 мм. Модель балки с кусочно-равномерным распределением жёсткости и учетом динамики аэродинамических нагрузок позволила получить значения деформаций, приближенные к эмпирическим измерениям: 9,5° в воздухе и 14,6° в воде. Разработана модель аэроупругих деформаций, основанная на использовании метода конечных элементов, и встроена в ранее разработанный при нашем участии аэродинамический решатель Wabbit. Модель была верифицирована на упрощенных моделях крыльев, которые выполняли движения полувзмаха, соответствующие гребному движению с переменной скоростью, при котором создаётся подъёмная сила. Результаты верификации подтвердили хорошую точность модели, однако показали не вполне удовлетворительную устойчивость. Для применения модели к крыльям реалистичной формы необходимо решение проблемы численной устойчивости. Исследованы летные характеристики миниатюрных перокрылых насекомых (Hymenoptera, жуки Ptiliidae и Thysanoptera) и крупных представителей родственных групп (40 видов). Выполнен регрессионный анализ летных характеристик по отношению к массе тела с привлечением литературных данных. Было показано, что максимальная скорость полета и ускорение у миниатюрных насекомых снижается быстрее при уменьшении размеров тела по сравнению с крупными насекомыми. Такая аллометрия летных характеристик при низких числах Рейнольдса вероятно связана с увеличением влияния сопротивления тела и ограничений, которые накладывают особенности кинематики крыльев миниатюрных насекомых, такие как большая амплитуда взмахов и наличие возвратного движения, во время которого возникают паразитные аэродинамические силы. Разработана методика исследования полета насекомых в естественной среде путем адаптации существующих инструментов синхронной видеосъемки и трехмерной реконструкции траекторий, и выполнена работа по изучению полета стрекоз Cordulia aenea. Показано, что средняя горизонтальная скорость зависит от режима полета: 2.0 м/с при патрулировании и 2.4 м/с при преследовании. Максимальная горизонтальная скорость C. aenea составила 6.2 м/с при преследовании. C. aenea способны развивать горизонтальное ускорение не менее 52 м/с2, что значительно выше предыдущих наблюдений у стрекоз, зафиксированных менее точными методами. Согласно расчетам, C. aenea выполняют самые перегруженные маневры при радиусе поворота 0.4 м, достигая угловой скорости 18.5 рад/с. Ветер не только влияет на измерения из-за разницы между воздушной и путевой скоростью, но также влияет и на воздушную скорость насекомых в зависимости от направления движения относительно ветра: при преследовании стрекозы развивают большие скорости при попутном ветре, что указывает на его использование стрекозами для охоты или избегания. Результаты третьего года проекта являются существенным шагом в разработке новых методов и исследовании механики полета и плавания микронасекомых. В случае продолжения проекта дальнейшей перспективой может стать изучение локомоции других групп миниатюрных животных, а также более сложных аспектов, таких как механика управления движением.

Публикации

1. Коломенский Д.С, Фарисенков С.Э., Полилов А.А. GEOMETRICAL OPTIMIZATION OF BRISTLED WINGS OF MINIATURE FLAPPING FLIERS ICTAM 2024 Daegu, Korea, 26th International Congress of Theoretical and Applied Mechanics, 25-30 August, 2024, Daegu, Korea : ICTAM : abstract book. P: 611-612 (год публикации - 2024)

Возможность практического использования результатов
На данном этапе это преимущественно фундаментальная работа, но благодаря миниатюрным размерам наши объекты являются идеальным примером оптимизации биологических структур и их функций, и открывают большие возможности для целого ряда не только биологических, но и технологических, таких как микроробототехника.