מערכת למחקר המבנה והתפקוד של כנפי חרקים זעירים

רקע

חרקים מזעריים הם חרקים בעלי גוף וכנף הקטנים מ-1 מ"מ. גודל גוף זה הוא מזערי עבור בעל חיים מורכב, הכולל מערכות חישה ותנועה מפותחות. כדי להגיע לממדים קטנים אלו נאלצו החרקים המזעריים לצמצם את כל מערכות הגוף שלהן, כולל מערכות חישה, רבייה, עצבים ושרירים. צמצום זה דרש פשרות עם יכולת החרק לחוש ולנוע בסביבתו. במתקן זה חוקרים כיצד הצמצום במערכות הגוף משפיע על יכולת התעופה.

אחת התופעות המעניינות במיוחד, הנובעת ממזעור קיצוני, היא הירידה ביכולת כנף מזערית לייצר עילוי מצד אחד ועלייה בהתנגדות האוויר להנעת הכנף מצד שני. שינויים אלו נובעים מכך שזרימת האוויר על פני כנף קטנה מאוד לא יוצרת הפרש לחצים משמעותי בין חלקה העליון והתחתון של הכנף (עילוי), אבל מושפעת במידה רבה מצמיגות האוויר, שמאטה את התנועה. כדי להתמודד עם תופעות אלו פיתחו חרקים זעירים תנועות כנף וצורות כנף שונות לגמרי מאלו של חרקים גדולים יותר. דוגמה טובה היא הכנפיים של תריפסים וחיפושיות זעירות, שעשויות מזיפים במקום משטח ממברנלי אחיד (ראו איור). מכיוון שהכנף כוללת בתוכה בעיקר רווחים ואוויר, משקלה הוא רק 10% ממשקל של כנף בגודל דומה המכוסה ממברנה.

תריפס עם כנפיים זיפיות במקום כנפיים ממברנליות  (מקור: ויקיפדיה)

המחקר

כדי לבחון את הקשר בין מבנה הכנף ליכולות התעופה אנו מצלמים חרקים זעירים בתעופה באמצעות כמה מצלמות וידאו מהיר ומשחזרים את תנועות הכנף בתלת-ממד. את החרקים הזעירים מגדלים בגן למחקר זואולוגי בחממות מיוחדות.

בחדר שבו נערך המחקר יש מערכת רובוטית, המאפשרת לבדוק את הכוחות שמייצרת הכנף כשמניעים אותה כמו בזמן תעופה. כנפי החרקים הן קטנות מדי ואי אפשר למדוד את הכוחות ישירות עליהן. לכן, דגמים של הכנפיים, המודפסים בתלת-ממד בהגדלה פי 200, מונעים דרך נוזל צמיג במיוחד כדי ליצור תנאים המדמים את משטר הזרימה של תנועה של כנף קטנה באוויר.  

מערכת רובוטית להנעת דגמי כנף בנוזל צמיג

המערכת הרובוטית מאפשרת לשלוט על צורת הכנף ועל התנועה שלה, ולמדוד את הכוחות והמומנטים האווירודינמיים הנוצרים, וכך להבין מהן התנועות וצורות הכנף המתאימות לתעופה בגודל גוף קטן. למחקר זה השלכות על יכולתנו לנבא את יכולתם של חרקים קטנים שונים לעוף נגד הרוח או לנוע מרחקים ולנווט אל יעד מוגדר. יכולות אלו חשובות משום שרבים מהחרקים הקטנים ביותר הם מזיקי חקלאות או חרקים מועילים המשמשים לבקרה ביולוגית של מזיקים. 

החוקרים: 

המעבדה לביומכניקה של תנועה בבע"ח

ד"ר גל ריבק

אמיר שריג, דוקטורנט

ברק סקופ,  טכנאי

לקריאה נוספת:

Callaghan, F. O., Sarig, A., Ribak, G., & Lehmann, F.-O. (2022). Efficiency and aerodynamic performance of bristled insect wings depending on Reynolds number in flapping flight. Fluids, 7, 75.

Sane, S. P. (2016). Neurobiology and biomechanics of flight in miniature insects. Current Opinion in Neurobiology, 41, 158–166. https://doi.org/10.1016/j.conb.2016.09.008

Sarig, A., & Ribak, G. (2021). To what extent can the tiny parasitoid wasps , Eretmocerus mundus , fly upwind ? Journal of Applied Entomology, February, 1–15. https://doi.org/10.1111/jen.12890

Ben-Yakir, D., Tol, R. W.H.M, Bovio, M and Ribak, G. (2023) The distribution of Western flower thrips trapped on yellow cylinders. Journal of Insect Behabior (In Press)