Il segreto del paracadutismo acrobatico dei collemboli senza ali (VIDEO)

Una scoperta che potrebbe portare a progressi in campi che vanno dalla robotica all'aerodinamica

[14 Novembre 2022]

All’inizio della pandemia di Covid19, Víctor Ortega-Jiménez, del Georgia Institute of Technology e dell’università del Maine, stava esplorando i torrenti vicino a casa sua e studiando i collemboli, gli esapodi non insetti più abbondanti sulla terra e sospettava che riuscissero ad evitare i predatori grazie a qualcosa a che fare con la loro capacità di saltare sulla superficie dell’acqua e atterrare perfettamente nello stesso punto. Poi ha testato questa ipotesi nel suo laboratorio alla School of Chemical and Biomolecular Engineering (ChBE) della Georgia Tech utilizzando una combinazione di modelli computazionali e robofisici ed esperimenti di fluidodinamica, è così che ricercatori sono stati in grado di vedere per la prima volta la meccanica del movimento della coda a molla dei collemboli e a determinare come controllano il loro salto, si auto-drizzano a mezz’aria e atterrano in piedi, il tutto in un batter d’occhio, salvandosi così efficacemente dai predatori.

Il tutto è illustrato dettagliatamente nello studio “Directional Takeoff, Aerial Righting, and Adhesion Landing of Semiaquatic Springtails”, pubblicato su Proceedings of the National Academy of Sciences negli Atti della National Academy of Sciences (PNAS) da un team di scienziati statunitensi e sudcaoreani diretto da Ortega-Jiménez e da Saad Bhamla, anche lui della ChBE, che spiega: «Questi straordinari organismi con una morfologia unica vivono in un luogo molto precario: la superficie dell’acqua. Quindi, quando saltano e atterrano sull’acqua, dobbiamo capire gli effetti sia dell’idrodinamica che dell’aerodinamica. Il modo in cui atterrano perfettamente in piedi quasi ogni volta sulla superficie dell’acqua è stato l’enigma che abbiamo deciso di risolvere in questo paper»

I ricercatori hanno scoperto che i collemboli hanno così successo grazie alla loro postura, principalmente quella delle loro appendici uniche, sia per il salto che per l’adesione sukla superficie dell’acqua: prima di tutto, quando decollano, regolano l’angolo del loro organo per il salto: la forcula, quindi «Cambiano la loro postura a mezz’aria in una forma a U che crea una coppia aerodinamica, raddrizzandoli efficacemente in 20 millisecondi nel salto, il più veloce di qualsiasi organismo senza ali». Poi, atterrano su un colloforo, un’appendice particolare del collembolo che trattiene l’acqua».

I ricercatori evidenziano che «I collemboli fanno parte della famiglia Collembola, organismi noti per avere un colloforo idrofilo, una struttura tubolare che contiene una goccia d’acqua e può aderire alle superfici» e hanno determinato che «Questo colloforo è essenziale affinché il collembolo scivoli sulla superficie dell’acqua e atterri efficacemente in piedi senza rimbalzare».

Utilizzando l’imaging ad alta velocità e un modello matematico della forza dell’oscillatore idrodinamico, che utilizza la tensione superficiale, l’inerzia, la galleggiabilità, la resistenza, la dissipazione capillare e le forze di adesione, i ricercatori hanno calcolato in che modo il collembo sfrutta il suo colloforo per atterraggi stabili che rilasciano energia attraverso le onde capillari.

Ortega-Jiménez ricorda che «Nessuno ha mai dimostrato sperimentalmente a cosa serva veramente il colloforo, e stiamo dimostrando che è per la loro sopravvivenza. Hanno bisogno di questo per la stabilità, controllare il loro decollo ma soprattutto come atterrare perfettamente, come un acrobata».

Dopo che i ricercatori hanno studiato il salto dei collemboli, hanno scoperto che i potevano controllare l’angolo e la velocità di decollo e lo hanno suddiviso in un modello matematico per determinare la precisione di questi salti in una simulazione al computer. Il modello ha suggerito che «Se i collemboli possono controllare l’angolo del loro corpo, possono scivolare sulla superficie dell’acqua con il loro colloforo», convalidando così le osservazioni sperimentali di Ortega.

Poi il team statunitense/sudcoreano ha studiato la capacità di auto-raddrizzamento dei collemboli utilizzando collemboli vivi e morti in una galleria del vento e modelli fisici di caduta libera, scoprendo che «La postura a forma di U dei collemboli e una gocciolina raccolta dal colloforo creano l’atterraggio perfetto».

Kathryn Dickson, direttrice programma della National Science Foundation, che ha parzialmente finanziato la ricerca, evidenzia che «Questo lavoro dimostra quanto sia importante il movimento controllato per la fuga dai predatori e la sopravvivenza. I collemboli non avrebbero potuto diventare l’esapode non insetto più abbondante senza essere in grado di controllare la loro risposta di fuga da ginnasta. Oltre ad essere affascinante da guardare, questa nuova comprensione della biomeccanica di come i collemboli controllano il loro salto, la rotazione a mezz’aria e l’atterraggio in sicurezza sull’acqua potrebbe portare a progressi in campi che vanno dalla robotica all’aerodinamica».

Infatti, successivamente, i ricercatori della Georgia Tech, in collaborazione con il team sudcoreanodi  Je-sung Koh  dell’Ajou University, hanno costruito piccoli robot per replicare le loro osservazioni sperimentali e computazionali in un ambiente fisico. Per Koh, «Per dei robot da salto, in particolare su piccola scala, controllare il loro orientamento nell’aria per l’atterraggio e il salto e stata una sfida importante. La scoperta di questa ricerca potrebbe ispirare robot saltatori grossi come insetti in grado di atterrare in sicurezza ed espandere le capacità dei robot su nuovi terreni, come le superfici in acque libere dei laghi e degli oceani del nostro pianeta».

Per convalidare le osservazioni secondo le quali sono necessari un colloforo e una determinata forma del corpo per atterrare, i ricercatori hanno creato un piccolo robot con flapper di trascinamento e Bhamla sottolinea: «Dimostriamo in tre diversi casi che il robot originale va fuori controllo e atterra in modo imprevedibile. Ma quando aggiungi ciascuno di questi incrementi, come i flapper di trascinamento, dimostriamo che il robot può raggiungere la stabilità e atterrare in piedi».

Il robot ha una percentuale di successo del 75%, rispetto alla percentuale di successo dell’85% del collembolo. Ma questi risultati significativi potrebbero avere molte altre implicazioni. Ortega-Jiménez conclude: «Stiamo ora aprendo questo vaso di Pandora di ciò che possono fare gli animali più piccoli. C’è la convinzione che, poiché sono piccoli, non abbiano lo stesso controllo dei grandi animali. Quindi, stiamo aprendo alcune possibilità di controllo su questa piccola scala che potrebbero fornire informazioni sulle origini del volo negli organismi».