Wissenschaftler haben das Geheimnis der Klappflügel des Marienkäfers gelüftet

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-12-16 16:01

Wissenschaftler der Universität Tokio konnten das Geheimnis der faltbaren Hinterflügel von Marienkäfern lüften, nachdem sie herausgefunden hatten, dass nicht nur der bereits gut untersuchte "hydraulische Antrieb" mit einem Gefässgeflecht, sondern auch die Flügeldecken mit dem Bauch direkt in diesen Prozess eingebunden.

Die Arbeit der Forscher wird in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht und auf Phys.org zusammengefasst.

Marienkäfer sind in der Lage, beim Gehen auf ihren Füßen ihre Flügel kompakt unter starren Flügeldecken zu falten, um sie vor Beschädigungen zu schützen. Wenn ein Abheben erforderlich ist, entfalten sich die hinteren Schwimmflügel in durchschnittlich 0,1 Sekunden. Dieser Mechanismus ist gut bekannt, da Marienkäfer die Flügeldecken anheben, bevor sie ihre Flügel ausbreiten.

Die häutigen Hinterflügel der Käfer unter den Flügeldecken sind wie Origami gefaltet und von einem Gefäßnetz durchzogen, das sich mit Flüssigkeit füllt. Vor dem Abheben hebt der Marienkäfer die Flügeldecken an und belastet die Muskeln des dritten Brustsegments, wodurch der Flüssigkeitsdruck in den Gefäßen der Flugflügel erhöht wird. Dadurch erhöht sich die Elastizität der Gefäße und der Flügel dehnt sich aus.

Wissenschaftler konnten den Vorgang des Faltens des Flügels nicht im Detail sehen. Tatsache ist, dass der Marienkäfer nach der Landung die Flügeldecken faltet und erst danach beginnt, die Hinterflügel einzufahren, um sich aktiv mit dem Bauch zu helfen. Im Durchschnitt brauchen Käfer etwa zwei Sekunden, um ihre fliegenden Flügel zu falten.

Um die Faltung der Flügel zu untersuchen, verwendeten die Wissenschaftler einen siebenpunktigen Marienkäfer (Coccinella septempunctata). Ihr wurde ein Teil ihrer rechten, starren Flügeldecken entfernt. Der gelöschte Bereich wurde dann als Werkzeug verwendet, um eine Kopie aus klarem UV-härtbarem Acrylharz zu erstellen. Eine Acrylkopie des Flügeldecken wurde dann auf den Rest des Marienkäferflügels geklebt.

Die Forscher führten eine schnelle Untersuchung des Käfers durch und untersuchten auch einen entfernten Teil der Flügeldecken unter dem Mikroskop. Es stellte sich heraus, dass die Innenseite des Flügeldecken ein Relief aufweist, das dem Muster der Gefässe des Nurflüglers entspricht. Außerdem befindet sich an der Innenseite der Flügeldecken eine Art „Klettverschluss“– mit kleinsten Borsten bedeckte Bereiche, die den gefalteten Flügel halten.

Ähnliche "Klettverschlüsse" befinden sich an der Oberseite des Bauches. Es stellte sich heraus, dass der Marienkäfer nach der Landung die Flügeldecken faltet und dann anfängt, den Bauch zu straffen und zu strecken. In diesem Moment sinkt der Druck in den Gefäßen. Beim ersten Anziehen des Bauches passen die Gefäße in die entsprechenden Aussparungen an der Innenseite des Flügeldecken.

Nach Entspannung des Bauches gleitet er an der Unterseite der Hinterflügel entlang. Dann spannt der Marienkäfer erneut den Bauch, der beim Zusammenziehen die Flügel aufnimmt und unter die Flügeldecken klemmt. In diesem Fall dienen die transparenten Membranen zwischen den Gefäßen als Führung beim Falten des Flügels.

Wie Wissenschaftler feststellen, falten sich die Flügel eines Marienkäfers im Gegensatz zu Origami selbst nicht in spitzen Winkeln, sondern kräuseln sich. Aus diesem Grund wird ihre mechanische Festigkeit wahrscheinlich erhalten bleiben. Außerdem kann durch das Verdrehen ein Knicken der Gefäße und deren Überlappung durch Verformung vermieden werden.

Durch Zusammenziehen und Entspannen des Bauches erreicht der Marienkäfer also die vollständige Faltung der Hinterflügel unter den Flügeldecken. Forscher glauben, dass die gefalteten elastischen Flügel wie eine Art komprimierte Federn wirken. Wenn die Flügeldecken angehoben werden, hört ihr Inneres auf, sich an die Hinterflügel zu klammern und sie beginnen sich wie eine Feder aufzurichten. Der Streuvorgang wird dann von einer „Hydraulik“aufgenommen.

Japanische Wissenschaftler glauben, dass die Untersuchung der Mechanismen zum Entfalten und Falten der Flügel von Marienkäfern und einigen anderen Käfern die besten technischen Lösungen für die Herstellung von Faltmechanismen für verschiedene Geräte finden wird, von Sonnenkollektoren und Satellitenantennen bis hin zu Flügeln von Deckflugzeugen.

Derzeit gibt es keine Mechanismen zum Falten und Entfalten des Flügels ähnlich wie bei Käfern. Die in Deckflugzeugen verwendeten Mechanismen sind eine Reihe von hydraulischen Antrieben und Schlössern. Der Flügel eines trägergestützten Flugzeugs in einiger Entfernung von seiner Wurzel hat eine Hinge-Loop-Falte.

Spezielle Pumpen, die Druck in das Hydrauliksystem pumpen, erzwingen den Antrieb des Mechanismus zum Aufklappen oder Falten des Flügels. In Extrempositionen ist der Flügel fixiert. Ein faltbarer Flügel wird bei Flugzeugen mit Deck verwendet, um Platz zu sparen, damit sie in Hangars oder Deckparkplätzen kompakter platziert werden können.

Anfang Februar dieses Jahres präsentierten Forscher der NASA und der Brigham Young University ein faltbares Kühlerdesign zur Kühlung kleiner künstlicher Erdsatelliten. Dieser Heizkörper faltet und entfaltet sich wie Origami. Das Gerät steuert die Wärmeübertragung durch Einstellen der Faltentiefe: Je höher sie ist, desto mehr Wärme nimmt das Gerät auf.