22.02.2014

Regulator przepływu optycznego owadów

W jaki sposób owady latające utrzymują wysokość lotu, jakie sygnały wizualne wykorzystują podczas startu, lotu i lądowania? Wyjaśniono to kilka lat temu przy pomocy specjalnie skonstruowanego latającego robota.
Owady (a także ptaki i nietoperze) potrafią kontrolować swą wysokość ponad ziemią, mimo że nie dysponują skomplikowanymi przyrządami dostępnymi dla pilota-człowieka. Francuscy naukowcy zaprojektowali mikro helikopter by sprawdzić teorię, według której owady wykorzystują układ znany jako "przepływ optyczny" do uzyskiwania informacji na temat swojej wysokości nad ziemią.
Kiedy owad leci w jego polu widzenia obraz ziemi pod nim ucieka do tyłu z szybkością, która jest odwrotnie proporcjonalna do wysokości, na jakiej leci on nad ziemią. Czyli na niewielkich wysokościach ziemia wydaje się "poruszać" szybciej niż wówczas, gdy obserwuje się ją z większych wysokości.

Przepływ optyczny wyraża długość odcinka, o jaki zdaje się przemieszczać względem poruszającego się obserwatora nieruchomy obiekt. Najbliższe dla obserwatora obiekty mają znacznie większy przepływ optyczny niż te znacznie bardziej od niego oddalone.

Badacze wysunęli hipotezę, że owady mają wewnętrzny regulator przepływu optycznego, w którym wykorzystywana jest pętla informacji zwrotnej do oceny stosunku prędkości względem ziemi do wysokości i wyposażyli swój mikro helikopter właśnie w tego rodzaju układ działający w następujący sposób: gdy ziemia poniżej "ucieka" zbyt wolno, owad będzie zniżał lot do momentu, w którym ta prędkość jest optymalna, zgodnie ze wskazaniami jego regulatora przepływu optycznego; natomiast jeżeli ruch ten jest zbyt szybki, owad będzie się wznosił.
Robot (o wadze 100 g) naśladował wiele elementów zachowań owadów podczas lotu, które dotąd zaobserwowano. Na przykład migrujące motyle, które muszą przekroczyć kanion, nie fruną po prostu górą w poprzek kanionu, lecz najpierw lecą w dół wzdłuż jednej ściany kanionu, następnie nad dnem i potem znowu w górę wzdłuż drugiej ściany. Podobnie jest w przypadku pokonywania takiej przeszkody jak las - wysokość, na której motyle lecą ponad drzewami jest taka sama, jak wcześniejsza wysokość nad ziemią.

Model przepływu optycznego wyjaśnia również dlaczego owady obniżają wysokość lotu, gdy lecą pod wiatr. Wiatr przeciwny powoduje spadek prędkości lotu owada względem ziemi, więc schodzi on niżej, dopóki ziemia nie nabierze, zgodnie ze wskazaniami regulatora przepływu optycznego, odpowiedniej prędkości przesuwu. I przeciwnie, lot z wiatrem wiejącym z tyłu powoduje, że ziemia "ucieka" w szybszym tempie, wówczas owad zwiększa wysokość lotu, by to zrównoważyć.

Jednakże ów układ kontroli lotu owadów nie jest pozbawiony wad. W latach 1960. stwierdzono w jednym z badań, że gdy pszczoły lecą nad gładką taflą wody, na ogół opadają coraz niżej i niżej, aż uderzają w powierzchnię wody. Jednak gdy tafla wody jest pomarszczona, pszczoły bez problemu utrzymywały odpowiednią wysokość.
Autorzy obecnego badania wyjaśniają, że dzieje się tak, ponieważ całkowicie nieruchoma powierzchnia wody nie stanowi dla oka pszczoły źródła kontrastujących bodźców i, w związku z tym czujnik przepływu optycznego przestaje reagować. Prowadzi to do błędu w układzie, co powoduje, że owad obniża lot do momentu uderzenia w wodę. "Podobną zgubną tendencję zaobserwowano w przypadku mikro helikoptera, kiedy wprowadziliśmy brak kontrastu na powierzchni ziemi" - zauważyli badacze.
Inne badanie pszczół polegało na zaburzeniu orientacji poprzez zmuszenie ich do przelatywania przez tunel (zwykłą rurę). Przelot przez rurę wywołał w pszczołach wrażenie, że pokonały znacznie większy dystans. Gdy ich system nawigacji powietrznej został w ten sposób oszukany, owady te przekazywały swym współtowarzyszkom informacje o zawyżonej odległości od źródeł pożywienia w tzw. rytualnym tańcu. Amerykańscy naukowcy z Notre Dame (USA, Indiana) wykazali, że system naprowadzania pszczół ma charakter optyczny, a krótki wąski tunel wywołuje w pszczołach mylne wrażenie - zwiększa tzw. przepływ optyczny (my również mamy podobne wrażenie przemieszczając się w ciemnym tunelu: że nigdy się nie kończy. W rzeczywistości okazuje się być on znacznie krótszym, niż się nam wydawało).

Start i lądowanie również możliwe są dzięki wykorzystaniu regulatora przepływu optycznego. Przy starcie skierowanie dzioba helikoptera do przodu powodowało wzrost prędkości względem ziemi, co wywoływało unoszenie się helikoptera. Skierowanie dzioba helikoptera do tyłu podczas lądowania prowadziło do zmniejszenia jego prędkości i, w efekcie, do zmniejszenia wysokości.

Przebieg lotu mikro helikoptera naśladującego start, lot i lądowanie owadów (źródło)

Opis rysunku: lądowanie MH (mikro helikoptera) zostało zainicjowane przez komendę do stopniowego odchylenia wstecz względem pionu (grot strzałki 3). Związane z tym spowolnienie automatycznie inicjuje lądowanie. Końcowe podejście rozpoczyna się gdy MH osiąga pozycję pionową (strzałka 4). Prędkość opadania (w czasie lądowania) względem ziemi mikro helikoptera odpowiadała prędkości obserwowanej u pszczół.
Badacze stwierdzili : "Nasz układ sterowania wyjaśnia sposób w jaki owady potrafią bezpiecznie latać bez jakiegokolwiek z przyrządów wykorzystywanych na pokładzie samolotu do pomiaru wysokości lotu nad ziemią, prędkości względem ziemi i prędkości opadania. Regulator przepływu optycznego jest dość prosty pod względem implementacji neuronowej i jest równie odpowiedni dla owada, jak byłby dla samolotu."

 Niniejsza notatka jest opracowaniem (skrótem) artykułów:
"A Bio-Inspired Flying Robot Sheds Light on Insect Piloting Abilities" z 20 lutego 2007 (link)', "Badania rzucają światło na układ automatycznego pilota u owadów" z  9 lutego 2007 (link) oraz "Pszczoła miodna" (link)



Zatem ważka lecąca z prędkością 144 km na godzinę (jak podaje PWN. Moim zdaniem, w normalnych warunkach to bzdura - pisałam o tym) musiałaby lecieć z bardzo silnym wiatrem... na bardzo dużej wysokości.
Przypuszczam, że migrujące owady jak najbardziej wykorzystują wiatry wiejące z południa, by z cieplejszych rejonów Europy, a może i Afryki(?) dotrzeć w nasze strony. Przykładem takiego migranta jest choćby szablak wędrowny (wiosenny), którego przedstawiam TUTAJ..

przepływ optyczny owadów, lot start lądowanie owadów, owady pomiar wysokości, owady orientacja w locie, ważki zachwycone lot owadów, wazki zachwycone przepływ optyczny


Brak komentarzy:

Prześlij komentarz