Basal complex: 自動形状モーフィング用のスマート ウィング コンポーネント

May 31, 2023

Communications Biology volume 6、記事番号: 853 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

昆虫の羽は飛行力に自動的に反応する適応構造であり、最先端の工学的形状変形システムをも上回ります。 広く受け入れられているが、まだ明確に検証されていない仮説は、基底複合体として知られる翼の近位領域の 3D コンポーネントが飛行中の翼の形状変化の質を決定するというものです。 私たちの研究を通じて、この仮説を検証し、基底複合体が翼の変形の質と量の両方において重要な役割を果たしていることが実証されました。 一連の数値モデルにおける基底複合体の幾何学的パラメーターの体系的な変化は、翼が荷重下で最大キャンバーに達するように適応を受けていることを示唆しています。 基礎複合体の設計にインスピレーションを得て、風力タービンのモーフィングブレードの形状変化を容易にする形状モーフィング機構を開発しました。 この研究は、昆虫の羽の生体力学の理解を深め、簡素化された工学的形状モーフィングシステムの開発のための洞察を提供します。

鳥やコウモリは、羽の動きや変形を能動的に制御する飛行筋肉を備えており、それによって飛行性能を高めています。 それどころか、昆虫の羽には、胸部に位置し、羽の基部領域で羽の動きを制御する筋肉を除いて、筋肉がありません。 その代わり、昆虫の羽は、飛行力に自動的に反応できるようにする構造コンポーネントで構成されています1、2、3、4、5、6。 制御された応答には、効率的な揚力と推力を生成するための曲げ、ねじれ、キャンバー形成が含まれます2、7、8。 胸部の直接飛行筋は限られた範囲で羽の基部の輪郭を変更および制御できますが、昆虫の翅内には筋肉が欠如しているため、翅の構造設計と材料組成にコード化された羽の基部を越えた翅の自動形状制御が必要となります9。 昆虫の羽のこの際立った特徴、すなわち自動形状制御により、昆虫の羽はすべての自然システムおよび工学システムの中でユニークなものとなり、さらに重要なことに、自動形状制御を達成しようとする工学用途の潜在的な候補になります。

トンボ目のトンボとイトトンボは、飛行性能の点で他のほとんどの昆虫を上回ります。 彼らは、高度に特殊化された翼 1、2、3、4、5、6、7、8、9 のおかげで、興味深い洗練された飛行を示します。 翼の特徴の多くには、材料特性 12、13 および厚さ 14、15 の勾配、静脈パターン 2、16、17、波形 18、19、結節 16、20、翼柱痕 21、静脈接合部および接合部に関連するスパイク 22、23、レシリン パッチ 24、25、 26、静脈の超微細構造 23,27、屈曲線 28、基底複合体 4,29,30 は、オドナタンの羽の自動変形、特に羽のキャンバー形成に寄与しています。 広く受け入れられているが、まだ明確に検証されていない仮説は、基底複合体（特別な配置の静脈を備えた翼の基部の 3D 構造）が、オドナタン種の翼の変形の質を決定する鍵であるというものです 2,16,29。 翼の近位領域の大部分を構成する翼内の基底複合体の形状、寸法、位置は、これが合理的な仮説である可能性を示唆していますが、文献データはほとんどが記述的であり、定量的および/または体系的な調査です。翼の変形における基底複合体の役割はまだまれです4,31,32。 基礎複合体の構造、材料、機械的性能の間の関連性を確立する包括的な研究は、この文献のギャップを埋めるのに役立ちます。 これがこの研究の最も重要な目的です。

今回我々は、基底複合体や飛行スタイルが形態学的に異なるIschnura elegans（Coenagrionidae）、Calopteryx splendens（Calopterygidae）、Sympetrum vulgatum（Libellulidae）を含む3種のハドナタ属を選択的に収集した。 私たちは、走査型電子顕微鏡 (SEM)、マイクロコンピュータ断層撮影 (マイクロ CT)、共焦点レーザー走査型顕微鏡 (CLSM)、広視野蛍光顕微鏡 (WFM)、機械的試験、有限解析などの実験方法とイメージング技術を組み合わせて使用​​しました。元素解析 (FEA)、パラメトリック モデリング、概念設計、および 3D プリンティングを使用して、(1) 基底複合体の構造と材料の両方を調査し、(2) それらが基底複合体の機械的挙動にどのような影響を与えるかを特徴付け、(3) 基底複合体の構造と材料の両方を調べます。翼の変形における基底複合体の役割、および (4) 現実世界のアプリケーションで翼にインスピレーションを得た設計コンセプトを使用します。 私たちの結果は、昆虫の羽の生体力学の理解を高めるだけでなく、複雑なアクティブ制御を必要としない形状モーフィング構造の設計にも役立つため、重要です。