Pelajaran dari Bagaimana Capung Memperbaiki Diri Saat Jatuh
Dengan tubuh yang membentang, lebar sayap yang sangat besar, dan warna-warni yang berwarna-warni, capung adalah pemandangan yang unik. Namun orisinalitas mereka tidak berakhir dengan penampilan mereka:Sebagai salah satu spesies serangga tertua di planet ini, mereka adalah inovator awal penerbangan udara.
Sekarang, sebuah kelompok yang dipimpin oleh Jane Wang, Profesor Teknik Mesin dan Dirgantara di Cornell University College of Engineering, telah menguraikan fisika rumit dan kontrol saraf yang memungkinkan capung untuk memperbaiki diri saat mereka jatuh.
Penelitian ini mengungkapkan rantai mekanisme yang dimulai dengan mata capung — semuanya berlima — dan berlanjut melalui otot dan jarak sayapnya.
Makalah tim, “Mekanisme Pemulihan di Dragonfly Righting Reflex,” diterbitkan 12 Mei di Science . Wang ikut menulis makalah ini bersama James Melfi, Ph.D., dan Anthony Leonardo dari Howard Hughes Medical Institute (HHMI) di Ashburn, Virginia.
Selama dua dekade, Wang telah menggunakan pemodelan matematika yang kompleks untuk memahami mekanisme penerbangan serangga. Bagi Wang, fisika sama pentingnya dengan genetika dalam menjelaskan evolusi organisme hidup.
“Serangga adalah spesies yang paling melimpah dan yang pertama menemukan penerbangan udara. Dan capung adalah beberapa serangga paling kuno,” kata Wang. “Mencoba melihat bagaimana mereka mengatur diri mereka sendiri di udara akan memberi kita wawasan tentang asal usul penerbangan dan bagaimana hewan mengembangkan sirkuit saraf untuk menyeimbangkan di udara dan menavigasi melalui ruang angkasa. Lintasan mereka rumit dan tidak dapat diprediksi. Capung terus-menerus melakukan manuver, tanpa mengikuti arah yang jelas. Ini misterius.”
Untuk mempelajari dinamika penerbangan ini dan algoritme internal yang mengaturnya, tim merancang eksperimen perilaku terkontrol di mana seekor capung akan dijatuhkan terbalik dari tambatan magnet — premis yang tidak berbeda dengan eksperimen kucing jatuh yang terkenal dari tahun 1800-an yang menunjukkan bagaimana "refleks bawaan" tertentu mengakibatkan kucing mendarat di kaki mereka. Mereka menemukan bahwa dengan melepaskan capung dengan hati-hati tanpa kontak kaki, manuver serangga tersebut sebenarnya mengikuti pola gerakan yang sama, yang dapat ditangkap oleh para peneliti dengan tiga kamera video berkecepatan tinggi yang merekam pada 4.000 frame per detik. Penanda diletakkan di sayap dan tubuh capung, dan gerakannya direkonstruksi melalui perangkat lunak pelacakan 3D.
Para peneliti harus mempertimbangkan banyak faktor – dari aerodinamika yang tidak stabil dari interaksi sayap dan udara hingga cara tubuh capung merespons kepakan sayapnya. Ada juga kekuatan kegigihan yang pada akhirnya harus dihadapi oleh semua makhluk bumi:gravitasi.
Wang dan Melfi mampu membuat model komputasi yang berhasil mensimulasikan aerobatik capung. Tapi satu pertanyaan kunci tetap ada:Bagaimana capung tahu bahwa mereka jatuh, sehingga mereka dapat memperbaiki lintasannya?
Wang menyadari bahwa, tidak seperti manusia yang memiliki indera inersia, capung dapat mengandalkan dua sistem visual mereka — sepasang mata majemuk besar, dan tiga mata sederhana yang disebut ocelli — untuk mengukur kejujuran mereka.
Dia menguji teorinya dengan memblokir mata capung dengan cat dan mengulangi eksperimennya. Kali ini, capung memiliki lebih banyak kesulitan untuk pulih di tengah penerbangan.
“Eksperimen ini menunjukkan bahwa penglihatan adalah jalur pertama dan dominan untuk memulai refleks meluruskan capung,” kata Wang.
Isyarat visual itu memicu serangkaian refleks yang mengirimkan sinyal saraf ke empat sayap capung, yang digerakkan oleh serangkaian otot langsung yang memodulasi asimetri pitch sayap kiri dan sayap kanan yang sesuai. Dengan tiga atau empat pukulan sayap, capung yang jatuh dapat berguling 180 derajat dan melanjutkan terbang dengan sisi kanan ke atas. Seluruh proses memakan waktu sekitar 200 milidetik.
“Yang sulit, adalah menemukan strategi kontrol utama dari data eksperimen,” kata Wang. “Kami membutuhkan waktu yang sangat lama untuk memahami mekanisme di mana sejumlah kecil asimetri nada dapat menyebabkan rotasi yang diamati. Kunci asimetri tersembunyi di antara banyak perubahan lainnya.”
Kombinasi analisis kinematik, pemodelan fisik, dan simulasi penerbangan 3D kini memberi para peneliti cara non-invasif untuk menyimpulkan hubungan penting antara perilaku hewan yang diamati dan prosedur internal yang mengendalikannya. Wawasan ini juga dapat digunakan oleh para insinyur yang ingin meningkatkan kinerja robot dan mesin terbang kecil.
“Kontrol penerbangan pada skala waktu puluhan atau ratusan milidetik sulit untuk direkayasa,” kata Wang. “Mesin mengepak kecil sekarang dapat lepas landas dan berputar, tetapi masih kesulitan untuk tetap terbang. Ketika mereka miring, sulit untuk memperbaikinya. Salah satu hal yang harus dilakukan hewan adalah memecahkan masalah seperti ini dengan tepat.”
