Hoe vliegende insecten en drones de richting van de zwaartekracht kunnen bepalen

Nieuws - 19 oktober 2022 - Webredactie Communication

Wetenschappers van de TU Delft hebben een theorie ontwikkeld die kan verklaren hoe vliegende insecten omhoog van omlaag kunnen onderscheiden, zonder gebruik te maken van versnellingsmeters. Deze theorie is een belangrijke stap in de creatie van kleine, autonome drones. 

Wetenschappers hebben een nieuwe manier ontdekt waarop insecten – en ook vliegende drones – de richting van de zwaartekracht te kunnen bepalen. Terwijl drones hiervoor gewoonlijk versnellingsmeters gebruiken, was de manier waarop vliegende insecten dit doen tot nu toe in mysterie gehuld, omdat zij geen specifiek sensororgaan voor versnelling hebben. In een artikel dat vandaag in Nature is gepubliceerd, hebben wetenschappers van de TU Delft en de Aix Marseille Université / CNRS, Frankrijk, aangetoond dat drones de richting van de zwaartekracht kunnen inschatten door visuele bewegingsdetectie te combineren met een model van hoe ze bewegen. Deze studie is een mooi voorbeeld van de synergie tussen technologie en biologie. 

Enerzijds is deze studie een belangrijke stap voor de ontwikkeling van autonome kleine drones ter grootte van een insect, omdat er minder sensoren nodig zijn. Anderzijds vormt het een nieuwe hypothese voor de manier waarop insecten hun houding controleren. 

Het belang van het vinden van de zwaartekrachtsrichting

Succesvol vliegen vereist kennis van de richting van de zwaartekracht. Als voornamelijk op de grond lopende dieren hebben wij mensen doorgaans geen moeite met bepalen welke kant naar beneden is. Dit wordt echter moeilijker als we vliegen. De passagiers in een vliegtuig zijn zich er normaal gesproken niet van bewust dat het vliegtuig in de lucht een beetje zijwaarts gekanteld wordt om een wijde cirkel te maken. Toen de mens het luchtruim begon te verkennen, vertrouwden de piloten louter op het visueel waarnemen van de horizonlijn om de "houding" van het vliegtuig te bepalen, dat wil zeggen de oriëntatie van het lichaam ten opzichte van de zwaartekracht. Bij het vliegen door wolken is de horizonlijn niet meer zichtbaar, wat kan leiden – en vroeger ook werkelijk leidde – tot een steeds verkeerdere indruk van wat boven en beneden is.

Ook drones en vliegende insecten moeten hun houding kunnen controleren. Drones gebruiken gewoonlijk versnellingsmeters om de richting van de zwaartekracht te bepalen. Bij vliegende insecten is echter nog geen sensororgaan gevonden om versnellingen te meten. Daarom is het voor insecten tot op heden nog een raadsel hoe zij hun houding inschatten. 

Optische stroom volstaat om houding te bepalen

Hoewel het onbekend is hoe vliegende insecten hun houding schatten en controleren, is het wel bekend dat zij beweging visueel waarnemen door middel van "optische stroming". De relatieve beweging tussen een waarnemer en de omgeving leidt tot een optische stroming. Wanneer men bijvoorbeeld in een trein zit, lijken de bomen dichtbij zeer snel te bewegen (ze hebben een grote optische stroming), terwijl de bergen in de verte zeer langzaam lijken te bewegen (ze hebben een kleine optische stroming).

"De optische stroming zelf geeft geen informatie over de houding. We ontdekten dat het combineren van optische stroming met een bewegingsmodel het mogelijk maakt om de richting van de zwaartekracht te achterhalen", zegt Guido de Croon, hoogleraar Bio-inspired Micro Air Vehicles, "Het hebben van een bewegingsmodel betekent dat een robot of dier kan voorspellen hoe het zal bewegen wanneer het acties onderneemt. Zo kunnen ook drones bijvoorbeeld voorspellen wat er gebeurt als ze hun twee rechter propellers sneller laten draaien dan hun linker propellers. Aangezien de houding van een drone bepaalt in welke richting hij versnelt, en deze richting kan worden opgepikt door veranderingen in de optische stroming, stelt de combinatie ervan een drone in staat om zijn houding te bepalen."
 

De theoretische analyse in het artikel laat zien dat het vinden van de zwaartekrachtsrichting met optische stroming bijna onder alle omstandigheden werkt, behalve in specifieke gevallen zoals wanneer de waarnemer volledig stilstaat. "Alhoewel ingenieurs doorgaans zo’n probleem oplossen door extra sensoren toe te voegen, stellen wij de hypothese voor dat de natuur dit probleem gewoon heeft geaccepteerd", zegt Guido de Croon. "In het artikel leveren we een theoretisch bewijs dat ondanks dit probleem een standregelaar die probeert stil te hangen in de lucht toch zal werken ten koste van lichte oscillaties. Het zo ontstane vlieggedrag doet denken aan het grillige vlieggedrag van vliegende insecten."

Implicaties voor de robotica

De nieuwe theorie heeft belangrijke implicaties voor de robotica. "Verschillende onderzoeksgroepen streven ernaar autonome vliegende robots ter grootte van insecten te ontwerpen", legt Guido de Croon uit. "De kleine op insecten lijkende drones kunnen nuttig zijn voor reddingswerk, of bijvoorbeeld voor de bestuiving van gewassen. Het ontwerpen van dergelijke drones betekent dat je te maken krijgt met een grote uitdaging waar de natuur ook mee te maken heeft: hoe bereik je een volledig autonoom systeem als je zo weinig sensoren en rekenkracht mee kan dragen? Op deze schaal zijn zelfs kleine versnellingsmeters al een aanzienlijke last. Onze voorgestelde theorie zal bijdragen aan het ontwerp van kleine drones, omdat ze minder sensoren nodig hebben."

Biologische inzichten

De voorgestelde theorie heeft het potentieel om inzicht te geven in verschillende biologische fenomenen. "Het was bekend dat optische stroming een rol speelt bij het besturen van de stand, maar tot nu toe was het precieze mechanisme hiervoor onduidelijk", legt Franck Ruffier, bio-roboticus en directeur onderzoek aan de Aixe Marseille Université / CNRS uit, "De voorgestelde theorie kan verklaren hoe vliegende insecten erin slagen hun houding in te schatten en te controleren, zelfs in moeilijke, onoverzichtelijke omgevingen waar de horizonlijn niet zichtbaar is. Het geeft ook inzicht in andere fenomenen, bijvoorbeeld waarom sprinkhanen minder goed vliegen wanneer hun ocelli (ogen op de bovenkant van hun kop) bedekt zijn."

Nu zal worden nagegaan of de insecten het voorgestelde mechanisme inderdaad gebruiken om hun houding te regelen. De uitdaging hierbij is dat de theorie betrekking heeft op neurale processen die bij vliegende insecten tijdens de vlucht moeilijk te controleren zijn. "We verwachten dat nieuwe biologische experimenten, specifiek ontworpen om onze theorie te testen, nodig zullen zijn om het gebruik van het voorgestelde mechanisme bij insecten te verifiëren", voegt Ruffier toe.

Het artikel toont aan hoe de synergie tussen robotica en biologie kan leiden tot technologische vooruitgang én nieuwe wegen voor biologisch onderzoek.

/* */