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Was aufsteigt, muss auch wieder herunterkommen: Landende Heuschrecken prallen auf ihre Köpfe

Ergebnisse könnten hilfreich sein für Landungen unbemannter Raumsonden auf unbekanntem Terrain
Springen ist für viele Heuschrecken und Insekten ein schneller und effektiver Weg, ihren Feinden zu entkommen. Vor allem Wüstenheuschrecken sind bekannt für ihre kräftigen Sprünge. Um den Absprung genau zu kontrollieren, können Heuschrecken dabei die Bewegung ihrer kräftigen Hinterbeine präzise steuern. Aber was passiert bei der Landung? Sind Heuschrecken, so wie Flugzeuge, in der Lage, ihre Landebewegungen zu kontrollieren? Verlangsamen Heuschrecken ihre Fallbewegung, um Schäden an ihrem Körper zu vermeiden?

Forscher des Bionik-Innovations-Centrums an der Hochschule Bremen (HSB) haben nun erstmals das Aufprallverhalten springender Heuschrecken genauer untersucht. In der aktuellen Ausgabe des "Journal of Experimental Biology" zeigen die Wissenschaftler, dass Heuschrecken überraschenderweise ihre Fallbewegung nicht nennenswert verlangsamen, während sie sich dem Boden nähern und kopfüber aufprallen.

"Dass die Heuschrecken, während sie dem Boden näherten, nicht langsamer wurden, hat uns zunächst sehr gewundert ", sagt Simon Reichel, Mitglied des Forschungsteams der HSB. "Stattdessen drehten die Insekten ihren Körper immer in der Luft. Egal, wie wir das Insekt vor dem Sturz hielten, sie prallten fast immer zuerst mit dem Kopf auf den Boden."

Diese stereotype Fallbewegung der fallenden Heuschrecke resultiert in eine sehr vorhersehbaren Körperhaltung beim Aufprall. "Wenn man weiß, wie man fällt und landen wird, kann man sich sehr gut auf den nächsten Schritt vorbereiten", sagt Reichel. Somit reduziert dieses Verhalten die Zeit zur Vorbereitung auf den nächsten Sprung und erhöht die Chance, dem Verfolger zu entkommen. Interessanterweise wurde der kopfüber stattfindende Aufprall auch bei toten Heuschrecken beobachtet. Dies deutet darauf hin, dass die Form des Insektenkörpers eine passive Rolle bei der Kontrolle des Sturzes spielen muss.

Um die Rolle der aktiven Bewegungen weiter zu testen, ließ das Team auch kalte Heuschrecken fallen. "Kalte Heuschrecken haben nur eine eingeschränkte Kontrolle über die Bewegungen ihrer Gliedmaßen", sagt Reichel, "ähnlich wie bei einem Betrunkenen." Folglich zeigten diese kalten Heuschrecken oft unkontrollierte Fallbewegungen. Diese Beobachtungen zeigen, dass ein gewisses Maß an aktiver Kontrolle erforderlich ist, um die Chancen auf einen kontrollierten Aufprall zu verbessern.

"Die Kutikula des Exoskeletts von Insekten ist robust genug, um den relativ kleinen Belastungen während des Aufpralls standzuhalten", sagt Prof. Jan-Henning Dirks (HSB). "Für das Insekt scheint es daher wichtiger zu sein, vorhersagen zu können, wie der Absturz erfolgen soll, anstatt die Auswirkungen des Absturzes zu reduzieren. Wir glauben, dass unsere Ergebnisse für Ingenieurinnen und Ingenieure hilfreich sein können, die beispielsweise mit dem Problem konfrontiert sind, kleine Objekte wie unbemannte Raumsonden auf unbekanntem Terrain zu landen." Anstatt sich Gedanken darüber zu machen, den Sinkflug in Echtzeit zu verlangsamen oder aktiv zu kontrollieren, könnten neue bio-inspirierte Sonden so gebaut werden, dass es immer zu einem vorhersehbareren Absturz kommt. Dies würde es den Sonden ermöglichen schnell und unbeschadet mit ihren Aufgaben fortzufahren.


Hinweise für Redaktionen:
Originalartikel “What goes up must come down: biomechanical impact analysis of falling locusts”
Simon V. Reichel, Susanna Labisch, Jan-Henning Dirks
Journal of Experimental Biology 2019 222: jeb202986 doi: 10.1242/jeb.202986 veröffentlicht am 22. Juli 2019

Für weitere Informationen: Prof. Dr. Jan-Henning Dirks, Hochschule Bremen, Fakultät Natur und Technik, Biologische Strukturen und Bionik, Tel.: 0421 5905-6010, jan-henning.dirks@hs-bremen.de

Videomaterial für die Pressearbeit ist kostenlos erhältlich unter:
Bildunterschrift: Hochgeschwindigkeitsaufzeichnung, die das Fallverhalten von lebenden, kalten und toten Heuschrecken (S. gregaria) vergleicht. Warme Heuschrecken richten sich sehr schnell wieder auf, um sich auf den nächsten Sprung vorzubereiten, während die kalten und toten Heuschrecken weit weniger Kontrolle über ihren Absturz zeigten.

Alle Videos müssen gekennzeichnet werden mit: "Reproduziert/angepasst mit Genehmigung des Journal of Experimental Biology, Reichel, S. V., Labisch, S. and Dirks, J.-H., 2019, Journal of Experimental Biology, Band 222, doi:10.1242/jeb.202986."
Bildunterschrift: Hochgeschwindigkeitsaufnahme, die zeigt wie eine Heuschrecke (S. gregaria) mit dem Kopf zuerst auf einen Untergrund trifft. Heuschrecken drehen ihren Körper in der Luft, um einen vorhersehbaren Aufprall auf ihren Kopf zu gewährleisten. Dieses Verhalten ermöglicht eine schnelle Erholung und Vorbereitung auf den nächsten Fluchtsprung.


Alle Videos müssen gekennzeichnet werden mit: "Reproduziert/angepasst mit Genehmigung des Journal of Experimental Biology, Reichel, S. V., Labisch, S. and Dirks, J.-H., 2019, Journal of Experimental Biology, Band 222, doi:10.1242/jeb.202986."
Ansprechpartner
Name Telefon E-Mail
Dirks, Jan-Henning, Prof. Dr. +49 421 5905 6010  senden
English Version

What goes up must come down – landing locusts crash on their heads
For many grasshoppers and other insects jumping is a fast and effective way to escape from their predators. In particular desert locusts are known for their powerful jumps. To avoid catapulting into the wrong direction, locusts are able to precisely control the movement of their prominent hind legs. However, what happens when the locusts want to land? Are they also able to precisely control their landing movements like airplanes do? Do they slow down to prevent damage to their body?

Researchers from the Biomimetics-Innovation-Centre at the Hochschule Bremen (HSB) have now shown for the first time the details of crashing behavior in jumping locusts. Their results published in the current issue of the “Journal of Experimental Biology” show that falling locusts surprisingly do not show any notable forms of slowing down when approaching the surface, however crashed head-first into the ground.

“We were puzzled not to see any slowing down when the locusts approached the ground.“ says Simon Reichel, who was part of the research team at HSB. “Instead, the insects always rotated their body in midair. No matter how we held the insect before the fall, they almost always fell head first towards ground.”

This stereotypic falling movement of the falling locust leads to a very predictable body posture at impact. “If you know how you will fall, then you can prepare very well for the actual impact.” says Reichel. This behavior thus reduces the time to prepare for the next jump and increases the chance to escape from the predator. Interestingly, the head-first impact was also observed in dead locusts, which indicates the passive role of the insect body in controlling the fall. To further test the role of active movements the team also dropped cold locusts. “Cold locusts have only very limited control of their limb movements.” says Reichel. “Very similar to a drunk person.” Consequently, these cold locusts often showed uncontrolled falling movements. This observation indicates that some degree of active control is required to improves the chances of a controlled crash.

“The cuticle exoskeleton of insects is tough enough to withstand the relatively small forces during the impact.” says Prof. Jan-Henning Dirks (HSB). “It thus seems more important for the insect to be able to predict how to crash, instead of reducing the effect of the crash. We believe that our results could be very helpful for engineers faced with for example the problem of landing small objects such as unmanned space probes on unknown terrain.” Instead of worrying about slowing down or actively controlling the descent in real time, new bio-inspired probes could be built using a design which always results in a more predictable crash and allows them to quickly recover to proceed with their tasks.

Original article
What goes up must come down: biomechanical impact analysis of falling locusts
Simon V. Reichel, Susanna Labisch, Jan-Henning Dirks
Journal of Experimental Biology 2019 222: jeb202986 doi: 10.1242/jeb.202986 Published 22 July 2019

For further information please contact
Prof. Dr. Jan-Henning Dirks, Biological Structures and Biomimetics
Hochschule Bremen – City University of Applied Sciences
jan-henning.dirks@hs-bremen.de

Video footage for press use available for free from:
Caption: Highspeed recording comparing the falling behavior of alive, cold and dead locusts (S. gregaria). The warm locusts quickly recover to prepare for the next jump, whilst the cold and dead locusts showed far less control of their descent.
Caption: Highspeed recording showing a locusts (S. gregaria) crashing head first onto a substrate. The locusts turn their body midair to ensure a predictable crash onto their head. This behavior allows a quick recovery and preparation for the next escape jump.

All videos need to be credited as: “Reproduced/adapted with permission of Journal of Experimental Biology, Reichel, S. V., Labisch, S. and Dirks, J.-H., 2019, Journal of Experimental Biology, volume 222, doi:10.1242/jeb.202986.”


veröffentlicht am 2019-08-14 12:27

 

 

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