We hebben ontdekt hoe oorloze motten geluid gebruiken om zich

We hebben ontdekt hoe oorloze motten geluid gebruiken om zich te verdedigen tegen vleermuizen – en dit kan ingenieurs op nieuwe ideeën brengen

Hermelijnmotten zijn doof, maar hebben een ingewikkelde vleugelstructuur die hen beschermt tegen vleermuizen door waarschuwingsklikken te produceren wanneer ze vliegen. HWall/Shutterstock

Al meer dan 65 miljoen jaar woedt er in de nachtelijke hemel een akoestische strijd tussen vleermuizen en hun insectenprooien. Er worden veel verschillende technieken gebruikt en onze nieuwe studie onthult de fascinerende strategie van de kleine, dove hermelijnvlinder, die een minuscule vleugelstructuur heeft ontwikkeld die waarschuwingsgeluiden produceert. We hopen dat dit inzicht ingenieurs kan inspireren om nieuwe technologie te creëren.

Vleermuizen rekenen op hun geheime wapen, echolocatie, om hun vliegende prooi te vinden en te vangen, en in reactie daarop hebben nachtactieve insecten interessante verdedigingsmechanismen ontwikkeld. Veel zijdemotten vertrouwen bijvoorbeeld op een soort geluidsabsorberende mantel die hen “onzichtbaar” maakt voor de sonar van vleermuizen. Sommige grote nachtvlindersoorten hebben reflecterende lokstoffen ontwikkeld die vleermuisaanvallen wegleiden van hun lichaam en naar de uiteinden van hun vleugels.

Het volgende verdedigingsniveau wordt gevormd door oren waarmee insecten, waaronder veel nachtvlinders, echolocatiegeluiden van vleermuizen kunnen opvangen en uit de weg kunnen vliegen. Ze kunnen ook hun zintuiglijke waarneming van de locatie gebruiken om een aanvallende vleermuis te bestoken met ultrasone geluiden die hun biosonar afschrikken of verwarren.

Wetenschappers zijn echter al lang verbaasd over de vele oorloze motten die hun roofdieren niet kunnen detecteren en te klein zijn voor lokvogels. Hoe beschermen ze zichzelf?

We hebben onlangs ontdekt dat zelfs oorloze motten, zoals hermelijnmotten (Yponomeuta), akoestische signalen gebruiken als verdediging tegen vleermuisaanvallen. Deze motten hebben een kleine structuur in hun achtervleugels die een krachtig ultrasoon signaal creëert dat de sonar van vleermuizen verstoort.

Omdat deze motten geen gehoororganen hebben, zijn ze zich niet bewust van hun unieke verdedigingsmechanisme en kunnen ze het ook niet controleren. In plaats daarvan is het geluidsproductiemechanisme gekoppeld aan het flapperen van hun vleugels.

Beschermende vleugelslagen

Toen we de vleugel van de hermelijnmot onder een microscoop bestudeerden, werd het duidelijk dat één deel van de vleugel zich onderscheidt van de rest. Het grootste deel is bedekt met kleine haartjes en schubben, maar één vleugeldeel is helder en ligt naast een gegolfde structuur van ribbels en dalen. In onze nieuwe studie ontdekten we dat deze structuur geluid produceert dat perfect is afgestemd op het verwarren van vleermuizen.

Pipistrelle vleermuis vliegt op houten plafond van huis in duisternis

Vleermuizen zoals deze Pipistrelle gebruiken echolocatie om te jagen.
Rudmer Zwerver/Shutterstock

Geluid is een drukgolf die zich voortbeweegt door een vloeistof of vaste stof en vereist een verplaatsing van dit medium, meestal een trilling, om geluid te produceren. Grote trillende oppervlakken over holtes zijn goed voor het versterken van geluid – een goed voorbeeld is een tymbal drum, die een aangeleerd vel over een holte heeft gespannen. Als het trommelvel wordt aangeslagen door een drumstok, trilt het vel op zijn natuurlijke frequenties en geeft het deze trillingen als geluid door aan de omringende lucht.

Bij hermelijnmotten dient de heldere vlek in de achtervleugel als trommelvel, terwijl de gegolfde structuur van valleien en ribbels als trommelstokjes fungeren. Tijdens de vlucht laat de vleugel van de mot de ribbels achter elkaar knappen. Bij elke klik gaat de heldere vlek, die bekend staat als een aëro-elastisch bekken, trillen en wordt het geluidsvolume versterkt.

Opnames die we maakten van hermelijnmotten lieten zien dat hun vleugels klikgeluiden maakten tijdens de vlucht, die we konden detecteren met een batdetector die ultrageluid omzet in geluid dat hoorbaar is voor mensen.

Met behulp van 3D röntgenstraling en een geavanceerde microscooptechniek genaamd confocale microscopie, bracht de hoofdauteur van ons onderzoek, Hernaldo Mendoza Nava, de ingewikkelde eigenschappen in kaart van de materialen die de aëro-elastische tymbalen van deze motten maken. Vervolgens gebruikten we computersimulaties om onze hypothese te testen dat de vervormingen van de golfjes het vleugelmembraan stimuleren op een manier die geluid produceert. Deze simulaties produceerden een geluid dat qua frequentie, structuur, amplitude en richting overeenkwam met onze opnames van de klikken van de motten.

Sommige oormotten kunnen soortgelijke waarschuwingsgeluiden maken, maar van geen van hen is (tot nu toe) aangetoond dat ze dit doen met een aëro-elastische timbaal.

Voor ons team van biologen en ingenieurs zijn deze vleugelstructuren fascinerend omdat ze berusten op een mechanisme dat we onze bouwkundestudenten leren vermijden. Het “doorknikken” is een voorbeeld van een knikinstabiliteit – wanneer een structuur stabiliteit verliest onder belasting en plotseling in een andere toestand terechtkomt.

Bij een knikinstabiliteit breekt het materiaal niet, maar verliest de constructie meestal stijfheid en kan zelfs instorten. Dit kan catastrofale gevolgen hebben voor elke constructie die belasting draagt, zoals gebouwen, bruggen en vliegtuigen.

Geïnspireerd door de natuur

Historisch gezien werden constructies gemaakt om stijf genoeg te zijn om externe krachten te weerstaan. In de afgelopen tien jaar zijn onderzoekers en ingenieurs deze standaardpositie in twijfel gaan trekken en zijn ze begonnen met het gebruik van knikinstabiliteiten om constructies met nieuwe mogelijkheden te creëren.

Een voorbeeld hiervan zijn ingenieurs die morphing structures ontwerpen voor toekomstige vliegtuigvleugels die autonoom hun vorm aanpassen om beter te presteren wanneer de omgeving verandert. De aëro-elastische tymbal van hermelijnmotten belichaamt dit concept en laat zien hoe de natuur een inspiratie kan zijn voor nieuwe technologie.

Onze hoop is dat de aëro-elastische tymbalen van deze dove motten nieuwe ontwikkelingen in technische domeinen zullen stimuleren, zoals akoestische structurele monitoring, waarbij structuren geluid afgeven wanneer ze overbelast worden. Dit wordt vaak gebruikt om de veiligheid van infrastructuur te controleren. Het zou ook kunnen leiden tot innovaties in zachte robotica, waarbij de robots zijn gemaakt van vloeistoffen en gels in plaats van metaal en plastic.

De conversatie

Marc Holderied ontvangt financiering van de Biotechnology and Biological Sciences Research Council (subsidie nr. BB/N009991/1) en de Engineering and Physical Sciences Research Council (subsidie nr. EP/T002654/1). Wij danken Diamond Light Source voor toegang
tot beamline I13 (voorstel MT17616) en aan Dr Shashi Marathe en Kaz Wanelik voor hun hulp bij de faciliteit. We danken Daniel Robert voor toegang tot en ondersteuning bij Laser Doppler vibrometrie.

Alberto Pirrera heeft voor dit onderzoek financiering ontvangen van de Engineering and Physical Sciences Research Council (grant no. EP/M013170/1).

Rainer Groh heeft voor dit onderzoek financiering ontvangen van de Royal Academy of Engineering (grant no. RF/201718/17178). Hernaldo Mendoza Nava, een promovendus die aan dit project werkte voor zijn proefschrift, werd gefinancierd door de Nationale Raad voor Wetenschap en Technologie (CONACYT-Mexico, CVU/studentschap nr. 530777/472285) en de Engineering and Physical Sciences Research Council via het EPSRC Centre for Doctoral Training in Advanced Composites for Innovation and Science (subsidie nr. EP/L0160208/1).

Ubergeek Loves Coolblue

Zou je na het lezen van deze artikel een product willen aanschaffen?
Bezoek dan Coolblue en ontdek hun uitgebreide assortiment.