Böcekler Kanatları Kırılmadan Çarpışmalara Nasıl Dayanır?

Toplayıcı arıların kanatları uçuş sırasında çiçek,yaprak veya dal gibi küçük engellerle yaklaşık saniyede bir kez hasar görmeden çarpışır. Bir böceğin kütlece %2’sini oluşturan kanatlar aynı zamanda aerodinamik yüklere de dayanırlar. Kiel Üniversitesi’ndeki (CAU) Zooloji Enstitüsü’nden bilim insanları, böcek kanatlarının bu farklı ihtiyaçlara kırılmadan nasıl dayandığını araştırıyorlar. Advanced Science dergisinin son sayısında yer alan makalede, kanat yapısında hem stabil hem de esnek olmaları ve böylece ihtiyaçlara uyum sağlayabilmeleri sayesinde birkaç özel özellik gösteriyorlar. Uzun vadede bu tasarım stratejileri, aynı zamanda yük taşıyan, dayanıklı ve robotik, havacılık veya biyotıp alanlarında çeşitli uygulamalara izin veren yapısal elemanların geliştirilmesine yol açabilir.

Teknik yapılar genellikle iki özellikten yalnızca birini yapabilir: binalardaki stabil yük taşıyıcı bileşenler gibi büyük yüklere dayanabilirler ya da çarpışma gibi dış darbelere karşı kırılmayacak kadar verim sağlarlar. Eğer her iki yetenekte birleştirilebilirse, dış ortamlarındaki değişime yanıt olarak deforme olabilirliklerini değiştirerek daha verimli çalışan ‘değişken sertliğe’ sahip yapısal öğeler geliştirilebilir. Ayrıca önceki çalışmalar, günlük yaşam uygulamalarında kullanılmalarını zorlaştıran karmaşık ve maliyetli yaklaşımlar uygulanmaktadır.

Böcek Kanatlarındaki 3 Özellik Esnek Adaptasyona İzin Verir

Fonksiyonel Morfoloji ve Biyomekanik çalışma grubundan Profesör Stanislav Gorb, ‘‘ Şu anda mühendislik camiasını harekete geçiren şey, böcekler, zaten mükemmeldi: Özel bir tasarım sayesinde, kanatları, durumun gerektirdiğine bağlı olarak farklı esneklik derecelerine sahip olabilir.’’  Diyerek çalışmayı özetledi. Şimdiye kadar böcek kanatların üzerine yapılan biyolojik çalışmalar aerodinamik yönlere odaklıydı. Bu yönü takip etmelerine rağmen Zooloji Enstitüsü’nden araştırmacılar yusufçuk kanatlarının yapısını daha yakından inceledi. İlk kez, kanat yapısının 3 farklı yapısal elemanını işlevleriyle birleştirdiler: çarpışmaların ve rüzgar kuvvetlerinin uçuş sırasında böceklere zarar vermemesini sağlıyor: esnek eklemler, mekanik durdurucular ve burkulma bölgeleri.

Yusufçuk kanatları, sert damar ağı ve aralarındaki membranöz alanlardan oluşur. Damarlar esnek eklemlerle birbirine bağlanır. Bunlar, kanatların nispeten küçük yükler altında deforme olmasına izin verir. Daha yüksek yüklerde, mikro eklemlerin yakınındaki mikroskobik sivri uçlar deformasyonu kilitler ve durdurur. Kanadı aerodinamik yüklere karşı desteklemek için sertliği arttırlar. Ve son olarak, kanattaki özel bölgeler, bir engelle çarpışma durumunda belirli bir dereceye kadar tersine çevrilebilir şekilde bükülür.

Çalışmanın ilk yazarı Ali Khaheshi, ‘‘ Bu üç tasarım stratejisi sayesinde, böcekler kanatlarının özelliklerini değiştirebilir ve böylece aynı anda bir çok işlevi yerine getirebilirler. ’’

Tasarım Stratejileri Bir Uçak Modeline Başarıyla Uyguladılar

Araştırma ekibi bir adım daha ileri giderek böcek kanatlarının tasarım stratejileri hakkındaki teoriklerinin uygulamaya dayanıp dayanmadığını test etmek için 8x5x1,1 cm boyutunda ve 3,8 ağırlığında bir uçak modeline uyguladılar. 3D olarak yazdırdıkları modeli hem çarpışma hem de serbest düşme testleri yaptılar. Kanatlar çarpışmalardan kurtulurken, geleneksel olarak inşa edilmiş uçak modelleri kırıldı. Ek olarak, her durumda tasarım stratejilerinden birini atladıkları hafif değiştirilmiş yapılarla statik, dinamik ve yorulma testleri gerçekleştirdiler.

Mühendis ve malzeme bilimcisi Khaheshi, ‘‘ Bu deneyler, gözlemlenen mekanik performansları elde etmek için 3 tasarım stratejisinin hepsinin birlikte kullanıldığını doğruluyor. ’’ Araştırmacılar, bu aynı zamanda diğer yüksek kaliteli malzemelerle de işe yarayabileceğini varsayıyor. Esas nokta, stratejilerinin zaten kanatların yapısına entegre edilmiş olması ve tamamen pasif işlemesi, karmaşık kontrol stratejilerine gerek olmamasıdır.

Dr. Hamed Rajabi, ‘‘ Biyolojiden elde edilen bu tür iç görüler, aşırı veya öngörülmeyen durumlara  özerk bir şekilde uyum sağlayan teknik sistemler inşa etmemize yardımcı olabilir. Örneğin insanların aktif olarak müdahale edemediği uzay görevleri gibi. ’’

İlk Yayınlanma: 28 Mart 2021
Güncellenme: 3 Mayıs 2023

Kaynak

1. Ali Khaheshi et al. Triple Stiffness: A Bioinspired Strategy to Combine Load‐Bearing, Durability, and Impact‐Resistance, Advanced Science (2021). DOI: 10.1002/advs.202004338
2. CAU