Complexo basal: um componente de asa inteligente para transformação automática de forma

May 31, 2023

Biologia das Comunicações, volume 6, número do artigo: 853 (2023) Citar este artigo

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As asas dos insetos são estruturas adaptativas que respondem automaticamente às forças de vôo, superando até mesmo os sistemas de engenharia de transformação de forma de ponta. Uma hipótese amplamente aceita, mas ainda não testada explicitamente, é que um componente 3D na região proximal da asa, conhecido como complexo basal, determina a qualidade das mudanças no formato da asa durante o vôo. Através do nosso estudo, validamos esta hipótese, demonstrando que o complexo basal desempenha um papel crucial tanto na qualidade como na quantidade das deformações das asas. Variações sistemáticas dos parâmetros geométricos do complexo basal em um conjunto de modelos numéricos sugerem que as asas sofreram adaptações para atingir a curvatura máxima sob carregamento. Inspirados no design do complexo basal, desenvolvemos um mecanismo de transformação de forma que pode facilitar a mudança de forma de pás de transformação para turbinas eólicas. Esta pesquisa aumenta nossa compreensão da biomecânica das asas dos insetos e fornece insights para o desenvolvimento de sistemas simplificados de engenharia de transformação de formas.

Aves e morcegos possuem músculos de voo que controlam ativamente os movimentos e deformações das asas, melhorando assim o desempenho do voo. Pelo contrário, as asas dos insetos carecem de músculos, exceto aqueles que estão situados no tórax e controlam os movimentos das asas na região basal das asas. Em vez disso, as asas dos insetos consistem em componentes estruturais que lhes permitem responder automaticamente às forças de voo . As respostas controladas incluem flexão, torção e formação de curvatura para geração eficiente de sustentação e impulso2,7,8. Embora os músculos de voo direto no tórax possam alterar e controlar o perfil da base da asa até certo ponto, a falta de músculos nas asas dos insetos exige o controle automático da forma das asas além da base da asa, codificado no projeto estrutural da asa e na composição do material . Esta característica distintiva das asas dos insetos, ou seja, o controle automático da forma, torna-as únicas entre todos os sistemas naturais e de engenharia e, mais importante, um candidato potencial para aplicações de engenharia que buscam alcançar o controle automático da forma .

Libélulas e libelinhas da ordem de insetos Odonata superam quase qualquer outro inseto em termos de desempenho de voo. Eles exibem um vôo intrigantemente sofisticado graças às suas asas altamente especializadas1,2,3,4,5,6,7,8,9. Muitas das características da asa, incluindo gradientes de propriedades do material12,13 e espessura14,15, padrão de venação2,16,17, ondulação18,19, nodus16,20, pterostigma21, juntas de veias e pontas associadas a articulações22,23, manchas de resilina24,25, 26, a ultraestrutura das veias23,27, as linhas de flexão28 e o complexo basal4,29,30 contribuem para a deformabilidade automática das asas odonatanas e, em particular, para a formação da curvatura da asa. Uma hipótese amplamente aceita, mas ainda não testada explicitamente, é que o complexo basal - uma estrutura 3D na base da asa com um arranjo especial de veias - é a chave para determinar a qualidade das deformações das asas em espécies de odonatan . Embora a forma, dimensão e posição do complexo basal dentro da asa, compreendendo grande parte da região proximal da asa, sugiram que esta pode ser uma hipótese razoável, os dados da literatura são em sua maioria descritivos, e investigações quantitativas e/ou sistemáticas de o papel do complexo basal nas deformações das asas ainda é raro4,31,32. Um estudo abrangente que estabeleça uma ligação entre a estrutura, o material e o desempenho mecânico do complexo basal pode nos ajudar a preencher esta lacuna na literatura. Este é o objetivo geral deste estudo.

Aqui coletamos seletivamente três espécies de Odonata, incluindo Ischnura elegans (Coenagrionidae), Calopteryx splendens (Calopterygidae) e Sympetrum vulgatum (Libellulidae) com complexos basais e estilos de voo morfologicamente diferentes. Usamos uma combinação de métodos experimentais e técnicas de imagem, incluindo microscopia eletrônica de varredura (MEV), tomografia microcomputadorizada (micro-CT), microscopia confocal de varredura a laser (CLSM), microscopia de fluorescência de campo amplo (WFM), testes mecânicos, testes finitos. análise de elementos (FEA), modelagem paramétrica, projeto conceitual e impressão 3D para (1) examinar a estrutura e o material do complexo basal, (2) caracterizar como eles influenciam o comportamento mecânico do complexo basal, (3) determinar o papel do complexo basal nas deformações das asas e (4) usar conceitos de design inspirados nas asas em uma aplicação no mundo real. Nossos resultados são significativos, pois não apenas melhoram nossa compreensão da biomecânica das asas dos insetos, mas também informam o projeto de estruturas que mudam de forma e não requerem controles ativos complicados.