Når den sidder fast i vand, bier skaber en bølge og flyver oven på den, undersøgelse finder

Går på Caltechs campus, forskningsingeniør Chris Roh (MS '13, Ph.d. '17) så tilfældigvis en bi sidde fast i vandet i Millikan Pond. Selvom det var et almindeligt nok syn, det førte Roh og hans rådgiver, Mory Gharib (Ph.D. '83), til en opdagelse om den potentielt unikke måde, som bier navigerer i grænsefladen mellem vand og luft.

Roh spionerede bien under Californiens årelange tørke, da damens springvand blev slukket, og vandet var stille. Hændelsen fandt sted omkring kl. så solen over hovedet kastede biens skygger - og, vigtigere, bølgerne væltede af den flagrende biers indsats - direkte på bunden af ​​bassinet.

Da bien kæmpede for at komme til kanten af ​​dammen, Roh bemærkede, at skyggerne på bassinets bund viste amplituden af ​​bølgerne genereret af biens vinger, samt det interferensmønster, der skabes, da bølgerne fra hver enkelt vinge bragede ind i hinanden.

"Jeg var meget begejstret for at se denne opførsel, og derfor bragte jeg honningbien tilbage til laboratoriet for at se nærmere på den, "Siger Roh.

Arbejde med Gharib, Caltechs Hans W. Liepmann Professor i luftfart og bioinspireret teknik, Roh genskabte forholdene i Millikan Pond. De lagde vand i en gryde, lod det blive helt stille, og derefter sætte bier, en ad gangen, i vandet. Mens hver bi flagrede rundt i vandet, filtreret lys blev rettet direkte ned på det, for at skabe skygger på bunden af ​​panden. Roh og Gharib studerede 33 bier individuelt i et par minutter ad gangen, forsigtigt øser dem ud efter et par minutter for at lade dem komme sig over deres svømmeanstrengelser.

Et papir, der beskriver, hvad de fandt, blev offentliggjort i Procedurer fra National Academy of Sciences den 18. november.

Når en bi lander på vandet, vandet klæber til sine vinger, berøver den evnen til at flyve. Imidlertid, at klæbrighed tillader bien at trække vand, skaber bølger, der driver det fremad. I laboratoriet, Roh og Gharib bemærkede, at det genererede bølgemønster er symmetrisk fra venstre mod højre. En stærk, en stor amplitudebølge med et interferensmønster genereres i vandet bag på bien, mens overfladen foran bien mangler den store bølge og interferens. Denne asymmetri driver bierne fremad med den mindste kraft - omkring 20 milliontedele af en Newton. (Til reference, et mellemstort æble holdt i din hånd udøver omkring en Newton kraft på din håndflade på grund af tyngdekraften.)

"Biens vingers bevægelse skaber en bølge, som dens krop er i stand til at ride fremad, "Siger Gharib." Det hydrofoiler, eller surfer, mod sikkerhed."

Slowmotion-video afslørede kilden til den potentielt livreddende asymmetri:i stedet for bare at blafre op og ned i vandet, biens vinger pronerer, eller bue nedad, når du skubber vandet ned og supinerer (kurver opad), når du trækker tilbage, op af vandet. Trækbevægelsen giver tryk, mens skubbebevægelsen er et genopretningslag.

Ud over, vingeslagene i vand er langsommere, med en slagamplitude - målet for, hvor langt deres vinger bevæger sig, når de klapper - på mindre end 10 grader, i modsætning til 90-120 grader, når de flyver gennem luften. Gennem hele processen, den dorsale (eller øverste) side af vingen forbliver tør, mens undersiden klæber til vandet. Vandet, der forbliver fastgjort til undersiden af ​​vingen, giver bierne den ekstra kraft, de bruger til at drive sig fremad.

"Vand er tre størrelsesordener tungere end luft, derfor fanger den bier. Men den vægt er det, der også gør den nyttig til fremdrift, "Siger Roh.

Bierne ser ikke ud til at være i stand til at generere nok kraft til at frigøre sig direkte fra vandet, men deres vingebevægelse kan drive dem til kanten af ​​en pool eller dam, hvor de kan trække sig ind på tørt land og flyve afsted. Hydrofoiling er meget mere belastende for bierne end at flyve, siger Roh, som vurderer, at bierne kunne holde aktiviteten i cirka 10 minutter, giver dem et fast vindue for at finde kanten af ​​vandet og flygte.

Bevægelsen er aldrig blevet dokumenteret hos andre insekter, og kan repræsentere en unik tilpasning af bier, siger Roh.

"På varme dage, bistader kræver vand for at køle af, " siger Roh. "Så når temperaturen stiger, arbejdere sendes ud for at samle vand i stedet for pollen. "Bierne finder en vandkilde, sluge nogle i et særligt kammer i deres kroppe, og derefter flyve afsted. Sommetider, imidlertid, de falder i. Og hvis de ikke kan frigøre sig, de dør.

Roh og Gharib, som arbejder i Caltechs Center for Autonome Systemer og Teknologier (CAST), allerede er begyndt at anvende deres resultater på deres robotforskning, udvikle en lille robot, der bruger en lignende bevægelse til at navigere i vandoverfladen. Selvom det er arbejdskrævende, bevægelsen kunne en dag bruges til at generere robotter, der både kan flyve og svømme.

Undersøgelsen har titlen "Honningbier bruger deres vinger til vandoverfladebevægelse."