鹰蛾如何在黑暗中看到,盘旋和追踪花朵

很难在黑暗中看到事物,但是如果您还必须在空中悬停并跟踪风中的花朵怎么办?这就是蜂鸟大小的鹰蛾(满天星)以其最喜欢的花蜜为食时必须克服。

如今,科学家们使用高速红外热像仪和3D打印的机器花朵,了解了这种昆虫如何应对这些复杂的传感和控制挑战,同时还能适应不断变化的光照条件。这项工作表明,这些生物可以在弱光条件下放慢大脑,以改善视力,同时还能继续执行苛刻的任务。

研究人员发现的结果可以帮助下一代小型飞行机器人在广泛的照明条件下高效运行。这项研究发表在6月12日的《科学》杂志上。

主要作者说:“人们对了解动物如何应对具有挑战性的传感环境非常感兴趣,尤其是当它们还执行诸如悬停在空中的艰巨任务时,” 西蒙·桑伯格,曾任华盛顿大学博士后研究员,现在是佐治亚理工学院物理学院和应用生理学院的助理教授。 “对于微型飞行器来说,这也是一个非常重大的挑战。”

共同作者说,对鹰蛾进行了广泛研究,以研究控制其神经系统发育和功能的基本原理。 汤姆·丹尼尔,威斯康星大学的生物学教授兼新任主任 空军自然启发飞行技术和思想卓越中心 在UW。

丹尼尔(Daniel)的研究小组使用由正弦波的线性总和组成的感官输入,对飞鹰蛾的反应进行了实验表征。他说,这份新论文扩展了“罪加总和”方法的应用。

Daniel补充说:“ Simon的工作采用了形式化的控制理论方法,以剖析神经电路如何适应各种亮度水平。” “通过观察自由飞蛾的运动动力学中的时间延迟-与自动移动的花朵的输入进行交互-西蒙能够提取依赖于亮度的飞蛾中枢神经系统。”

科学家们已经知道,在晚上以及黄昏和黎明时以花蜜为食的飞蛾使用专门的眼睛结构来最大限度地捕集它们可以捕获的光量。但是他们还推测,昆虫可能正在减慢其神经系统,以充分利用这种有限的光。但是,如果他们放慢大脑的步伐,看得更好,那会不会损害他们盘旋和追踪花朵运动的能力?

威斯康星大学的Sponberg及其同事使用高速红外摄像头和可自动以不同速率从一侧移到另一侧的花蜜分配自动花研究了这个问题。研究人员在改变光照条件和花朵移动的频率的同时,研究了飞蛾在其花朵中如何保持其舌头(称为长鼻)的状况。

他们还测量了吹在风中的真花,以确定昆虫在野外必须面对的运动范围。

Sponberg说:“我们期望在光线不足的情况下,飞蛾的取舍会更糟,因为它们在追踪光线的情况下会表现得更差。” “我们看到的是,尽管飞蛾确实放慢了速度,但只有花朵快速移动时才有所作为–比它们在自然界中的实际移动速度快。”

在实验中,飞蛾追踪了以20赫兹(每秒20次振荡)的速度振荡的机器花朵。这比真实花朵中观察到的最大频率2赫兹快得多。由于飞蛾的翅膀以每秒约25冲程的速度跳动,因此它们几乎必须通过每次击打来调整其运动方向-这是一项重大的传感,计算和控制成就。

“这确实是一种极端的行为,尽管飞蛾使它看起来简单而优雅”,Sponberg说。 “像这样的机动真的是非常具有挑战性的。”

在自然世界中,从晴天的正午到阴天的午夜,光强度变化了100亿倍。对于人体工程系统上的飞蛾和传感器而言,在这种亮度范围内进行操作都是一项挑战。因此,了解自然系统如何适应这一条件范围将具有更大的益处。

“如果我们想让机器人或机器视觉系统在如此广泛的条件下工作,那么了解这些飞蛾在不同光照条件下的功能将非常有用,” Sponberg说。

为了收集本文报道的数据,研究人员使用了能够在一维移动的自动花。最近,他们使用3D打印机中的执行器装置来制造可以在二维或三维中移动的自动花,这为飞蛾带来了额外的挑战。

在未来的研究中,Sponberg和他的同事们希望将他们的机器人花朵整合到低速风洞中,以研究飞蛾克服的空气动力学挑战-包括机翼涡旋的作用以及昆虫的机翼与花朵之间的流动效应相互作用。其他合著者是西北大学的乔纳森·戴尔(Jonathan Dyhr)和威斯康星大学的罗伯特·霍尔(Robert Hall)。这项研究是由美国国家科学基金会和空军科学研究所资助的。



本新闻稿中的材料来自原始研究组织。可以编辑内容的样式和长度。有一个问题? 让我们知道.

订阅

每天早上一封电子邮件,其中包含我们的最新帖子。从医学研究到太空新闻。环境转化为能源。物理技术。

谢谢您的订阅。

出问题了。