Naukowcy z Japonii badają, w jaki sposób udomowiona nielotna ćma jedwabnikowa (Bombyx Mori), wybitny model owada w badaniach węchowych, wykorzystuje trzepotanie skrzydeł do manipulowania przepływem powietrza, zwiększając ich zdolność do wykrywania odległych feromonów. Odkrycia te podkreślają, w jaki sposób ćmy kierują feromony do czujników zapachu w antenach, i sugerują potencjalne zastosowania w projektowaniu zaawansowanych systemów robotycznych do lokalizacji źródła zapachów. Może to zainspirować przyszłe innowacje w dziedzinie dronów i zapewnić wytyczne projektowe dla robotów do lokalizowania źródeł zapachów.
Ćma jedwabnikowa (Bombyx Mori) to owad, który nie lata już w wyniku udomowienia. Samce wykorzystują swoje czułki do wykrywania feromonów emitowanych przez samice i reagują bardzo ostro. Wykorzystywano je jako owady modelowe do badania lokalizacji źródła zapachu. Latające owady machają skrzydłami podczas lotu, a jedwabniki również machają skrzydłami (tzw. wachlowanie), gdy wykryją feromony, mimo że nie latają. Ponieważ cząsteczki feromonów przemieszczają się w powietrzu, przepływy powietrza wytwarzane przez trzepotanie skrzydeł mają niewątpliwie duży wpływ na wykrywanie zapachu. Jednak efekt tego trzepotania skrzydeł nie był znany ilościowo.
Aby odpowiedzieć na to pytanie, grupa naukowców pod przewodnictwem dr Toshiyuki Nakaty z Graduate School of Engineering na Uniwersytecie Chiba zbadała, w jaki sposób B. mori wykrywa feromony. „Rozumiemy, że ćmy jedwabniki wykrywają feromony, machając skrzydłami, aby wywołać wokół siebie przepływ powietrza. Jednak dokładny wpływ tego trzepotania skrzydeł na zdolność ćm do lokalizowania źródła zapachu jest niejasny” – wyjaśnia Nakata, omawiając uzasadnienie przeprowadzenia tego badania. W skład zespołu wchodzili współpierwsi autorzy, Daigo Terutsuki z Wydziału Nauki i Technologii Tekstyliów Uniwersytetu Shinshu; Chihiro Fukui z Wyższej Szkoły Nauki i Inżynierii Uniwersytetu Chiba; Ryohei Kanzaki z Centrum Badawczego Zaawansowanej Nauki i Technologii Uniwersytetu Tokijskiego; oraz Hao Liu z Wyższej Szkoły Inżynierii Uniwersytetu Chiba.
Ich badanie, opublikowane 2 sierpnia 2024 r. w tomie 14 Raporty naukowezastosowali szybką fotogrametrię – technikę wykorzystującą szybkie kamery do rejestrowania i rekonstrukcji ruchu i geometrii obiektów – do obliczeniowej analizy aerodynamicznych konsekwencji ruchów skrzydeł B. mori. Naukowcy skrupulatnie rejestrowali ruchy skrzydeł podczas wachlowania i zbudowali szczegółowy model obliczeniowy owadów i otaczającego ich przepływu powietrza. Korzystając z symulowanych danych, obliczyli następnie ruch cząstek przypominających cząsteczki feromonów wokół wachlującej się ćmy jedwabnika.
Jednym z kluczowych wniosków badania było to, że B. mori pobiera feromon selektywnie z przodu. Ćma skanuje przestrzeń, obracając swoje ciało podczas wachlowania, aby zlokalizować źródła feromonów. Kierunkowe próbkowanie cząsteczek feromonów jest szczególnie pomocne przy poszukiwaniu źródła zapachu, ponieważ ćma może określić kierunek smugi zapachu po wykryciu feromonu.
Nie trzeba dodawać, że implikacje tych badań wykraczają poza badanie owadów. Spostrzeżenia uzyskane na podstawie manipulacji przepływem powietrza przez B. mori mogą doprowadzić do postępu w technologiach automatycznej lokalizacji źródła zapachów. Zespół kierowany przez dr Daigo Terutsuki pracuje nad opracowaniem dronów wyposażonych w anteny na owady do wykrywania zapachów, które mają potencjalne zastosowania, takie jak lokalizowanie osób w sytuacjach awaryjnych. „Wyniki tego badania podkreślają znaczenie tworzenia kierunkowego przepływu powietrza podczas wyszukiwania źródeł zapachów za pomocą latających robotów. Wymaga to dokładnego dostosowania orientacji drona oraz konfiguracji jego śmigieł i czujników zapachu w celu optymalizacji możliwości wykrywania” – zauważa dr Nakata.
Co więcej, badanie podkreśla potrzebę przyszłych badań uwzględniających czynniki środowiskowe, takie jak turbulencje przepływu powietrza i konstrukcja anteny, które również wpływają na wykrywanie zapachów. „Obecnie roboty do nawigacji w dużym stopniu opierają się na czujnikach wzrokowych i słuchowych. Jednakże, jak wykazały psy ratownicze w przypadku katastrof, wykorzystywanie zmysłu węchu może być bardzo skuteczne w lokalizowaniu ludzi. Chociaż zastosowanie wykrywania węchu w robotach jest wciąż na wczesnym etapie badania te mogą pomóc w opracowaniu robotów, które skutecznie wyszukują źródła zapachów w sytuacjach klęsk żywiołowych” – mówi optymistycznie dr Nakata.
Podsumowując, badanie to nie tylko poszerza naszą wiedzę na temat strategii wykrywania zapachów przez owady, ale także dostarcza cennych zasad projektowania nowej generacji powietrznych robotów wykrywających zapachy.
