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As moscas da fruta podem compensar rapidamente lesões catastróficas nas asas, descobriram os pesquisadores, mantendo a mesma estabilidade depois de perder até 40% de uma asa. Essa descoberta pode informar o design de robôs versáteis, que enfrentam o desafio semelhante de ter que se adaptar rapidamente a contratempos no campo.
A equipe liderada pela Penn State publicou seus resultados hoje (18 de novembro) em Avanços da Ciência.
Para executar o experimento, os pesquisadores alteraram o comprimento da asa de moscas-das-frutas anestesiadas, imitando uma lesão que os insetos voadores podem sofrer. Eles então suspenderam as moscas em um anel de realidade virtual. Imitando o que as moscas veriam durante o vôo, os pesquisadores exibiram imagens virtuais em pequenas telas no ringue, fazendo com que as moscas se movessem como se estivessem voando.
“Descobrimos que as moscas compensam seus ferimentos batendo a asa danificada com mais força e reduzindo a velocidade da saudável”, disse o autor correspondente Jean-Michel Mongeau, professor assistente de engenharia mecânica da Penn State. “Eles conseguem isso modulando sinais em seu sistema nervoso, permitindo que eles ajustem seu vôo mesmo após uma lesão”.
Ao bater com mais força a asa danificada, as moscas-das-frutas trocam algum desempenho – que diminui apenas ligeiramente – para manter a estabilidade aumentando ativamente o amortecimento.
“Se você dirige em uma estrada pavimentada, o atrito é mantido entre os pneus e a superfície, e o carro fica estável”, disse Mongeau, comparando o amortecimento ao atrito. “Mas em uma estrada com gelo, há diminuição do atrito entre a estrada e os pneus, causando instabilidade. Nesse caso, uma mosca da fruta, como motorista, aumenta ativamente o amortecimento com seu sistema nervoso na tentativa de aumentar a estabilidade.”
O co-autor Bo Cheng, Penn State Kenneth K. e Olivia J. Kuo Professor associado de início de carreira de Engenharia Mecânica, observaram que a estabilidade é mais importante do que a potência para o desempenho do voo.
“Sob danos nas asas, tanto o desempenho quanto a estabilidade normalmente seriam prejudicados; no entanto, as moscas usam um ‘botão interno’ que aumenta o amortecimento para manter a estabilidade desejada, mesmo que isso leve a maiores reduções no desempenho”, disse Cheng. “Na verdade, foi demonstrado que é de fato a estabilidade, em vez da potência necessária, que limita a manobrabilidade das moscas.”
O trabalho dos pesquisadores sugere que as moscas-das-frutas, com apenas 200.000 neurônios em comparação com 100 bilhões em humanos, empregam um sistema de controle motor sofisticado e flexível, permitindo que se adaptem e sobrevivam após uma lesão.
“A complexidade que descobrimos aqui nas moscas é incomparável com qualquer sistema de engenharia existente; a sofisticação da mosca é mais complexa do que os robôs voadores existentes”, disse Mongeau. “Ainda estamos longe do lado da engenharia de tentar replicar o que vemos na natureza, e este é apenas outro exemplo de quão longe ainda temos que ir”.
Com ambientes cada vez mais complexos, os engenheiros são desafiados a projetar robôs que possam se adaptar rapidamente a falhas ou contratempos.
“Os insetos voadores podem inspirar o design de robôs e drones que podem responder de forma inteligente a danos físicos e manter as operações”, disse o co-autor Wael Salem, doutorando em engenharia mecânica da Penn State. “Por exemplo, projetar um drone que pode compensar um motor quebrado durante o vôo, ou um robô com pernas que pode contar com as outras pernas quando uma falha.”
Para estudar o mecanismo pelo qual as moscas compensam os danos nas asas durante o vôo, colaboradores da Universidade do Colorado em Boulder criaram um protótipo de robô de uma asa mecânica, com tamanho e função semelhantes aos de uma mosca da fruta. Os pesquisadores cortaram a asa mecânica, replicando os experimentos da Penn State, e testaram as interações entre as asas e o ar.
“Apenas com um modelo matemático, precisamos fazer suposições simplificadas sobre a estrutura da asa, o movimento da asa e as interações asa-ar para tornar nossos cálculos tratáveis”, disse o coautor Kaushik Jayaram, professor assistente de engenharia mecânica. na Universidade do Colorado Boulder. “Mas com um modelo físico, nosso protótipo de robô interage com o mundo natural da mesma forma que uma mosca faria, sujeito às leis da física. Assim, essa configuração captura as complexidades das complexas interações asa-ar que ainda não entendemos completamente. “
Além de Mongeau, Cheng, Salem e Jayaram, os co-autores incluem Benjamin Cellini, Departamento de Engenharia Mecânica da Penn State; e Heiko Kabutz e Hari Krishna Hari Prasad, Universidade do Colorado Boulder.
O Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea e a Bolsa de Pesquisa Alfred P. Sloan apoiaram este trabalho.
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