기본 복합체: 자동 형태 변형을 위한 스마트 날개 구성 요소

May 31, 2023

커뮤니케이션 생물학 6권, 기사 번호: 853(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

곤충 날개는 비행력에 자동으로 반응하는 적응형 구조로, 최첨단 엔지니어링 형태 변형 시스템을 능가합니다. 널리 받아들여졌지만 아직 명시적으로 테스트되지 않은 가설은 기저 복합체로 알려진 날개 근위 영역의 3D 구성 요소가 비행 중 날개 모양 변화의 품질을 결정한다는 것입니다. 우리의 연구를 통해 우리는 기초 복합체가 날개 변형의 질과 양 모두에 중요한 역할을 한다는 것을 입증하면서 이 가설을 검증했습니다. 일련의 수치 모델에서 기본 복합체의 기하학적 매개변수의 체계적인 변화는 날개가 하중을 받을 때 최대 캠버에 도달하도록 적응되었음을 시사합니다. 기초 복합체의 설계에서 영감을 받아 풍력 터빈용 모핑 블레이드의 형상 변경을 촉진할 수 있는 형상 모핑 메커니즘을 개발합니다. 이 연구는 곤충 날개 생체역학에 대한 이해를 높이고 단순화된 엔지니어링 형태 변형 시스템 개발에 대한 통찰력을 제공합니다.

새와 박쥐는 날개 움직임과 변형을 능동적으로 제어하여 비행 성능을 향상시키는 비행 근육을 가지고 있습니다. 반대로, 곤충의 날개에는 흉부에 위치하고 날개 기저부에서 날개 움직임을 제어하는 ​​근육을 제외하고는 근육이 부족합니다. 대신, 곤충 날개는 비행력1,2,3,4,5,6에 자동으로 반응할 수 있는 구조적 구성 요소로 구성됩니다. 제어된 반응에는 효율적인 양력 및 추력 생성을 위한 굽힘, 비틀림 및 캠버 형성이 포함됩니다2,7,8. 흉부의 직접 비행 근육은 제한된 범위에서 날개 기본 프로필을 변경하고 제어할 수 있지만 곤충 날개 내에 근육이 부족하기 때문에 날개 구조 설계 및 재료 구성에 인코딩된 날개 기본 너머의 날개의 자동 모양 제어가 필요합니다9. 곤충 날개의 이러한 독특한 특징, 즉 자동 형상 제어는 모든 자연 및 엔지니어링 시스템 중에서 독특하게 만들고, 더 중요하게는 자동 형상 제어를 달성하려는 엔지니어링 응용 분야의 잠재적 후보입니다.

곤충목 Odonata에 속하는 잠자리와 실잠자리는 비행 성능 측면에서 거의 모든 다른 곤충보다 뛰어납니다. 그들은 고도로 특화된 날개1,2,3,4,5,6,7,8,9 덕분에 흥미롭고 정교한 비행을 보여줍니다. 재료 특성의 변화12,13 및 두께14,15, 통풍 패턴2,16,17, 주름18,19, 결절16,20, 익상21, 정맥 관절 및 관절 관련 스파이크22,23, 레실린 패치24,25를 포함한 많은 날개 기능 26, 정맥 미세구조23,27, 굴곡선28 및 기저 복합체4,29,30는 오도나탄 날개의 자동 변형성, 특히 날개 캠버 형성에 기여합니다. 널리 받아들여졌지만 아직 명시적으로 테스트되지 않은 가설은 특수한 정맥 배열이 있는 날개 베이스의 3D 구조인 기저 복합체가 오도나탄 종2,16,29의 날개 변형 품질을 결정하는 데 핵심이라는 것입니다. 날개 근위 영역의 큰 부분을 차지하는 날개 내 기초 복합체의 모양, 크기 및 위치는 이것이 합리적인 가설일 수 있음을 시사하지만 문헌 데이터는 대부분 설명적이고 정량적 및/또는 체계적인 조사입니다. 날개 변형에서 기초 복합체의 역할은 여전히 ​​드뭅니다4,31,32. 기본 복합체의 구조, 재료 및 기계적 성능 사이의 연관성을 확립하는 포괄적인 연구는 이러한 문헌 격차를 메우는 데 도움이 될 수 있습니다. 이것이 본 연구의 전반적인 목적이다.

여기에서 우리는 Ischnura elegans(Coenagrionidae), Calopteryx splendens(Calopterygidae) 및 Sympetrum vulgatum(Libellulidae)을 포함하여 형태학적으로 다른 기본 복합체와 비행 스타일을 가진 Odonata의 3종을 선택적으로 수집했습니다. 우리는 주사전자현미경(SEM), 마이크로 컴퓨터 단층촬영(micro-CT), 공초점 레이저 주사 현미경(CLSM), 광시야 형광 현미경(WFM), 기계적 테스트, 유한성을 포함한 실험 방법과 이미징 기술을 조합하여 사용했습니다. 요소 분석(FEA), 파라메트릭 모델링, 개념 설계 및 3D 프린팅을 통해 (1) 기본 복합체의 구조와 재료를 모두 조사하고, (2) 기본 복합체의 기계적 동작에 영향을 미치는 방식을 특성화하고, (3) 날개 변형에서 기본 복합체의 역할, (4) 실제 응용 분야에서 날개에서 영감을 받은 디자인 개념을 사용합니다. 우리의 결과는 곤충 날개의 생체역학에 대한 이해를 향상시킬 뿐만 아니라 복잡한 활성 제어가 필요하지 않은 형태 변형 구조의 설계를 알려주기 때문에 중요합니다.