Apa yang Diajarkan Libellu tentang Pengendalian Aerodinamis Sendiri dalam Jatuh Bebas
Dengan tubuh yang terlihat, sayap lebar dan warna iriden, libellu adalah pemandangan unik. Namun keasliannya tidak berakhir pada penampilan: Sebagai salah satu spesies serangga tertua di planet, mereka adalah inovator awal dari penerbangan udara.
Sekarang, kelompok yang dipimpin oleh Jane Wang, Profesor Teknik Mekanik dan Aeroangkasa di Cornell University College of Engineering, telah melepas kait fisika dan kontrol neural yang rumit yang memungkinkan libellu untuk menegakkan diri saat mereka jatuh.
Penelitian mengungkap rantai mekanisme yang dimulai dari mata libellu — semuanya lima — dan melanjutkan melalui otot dan sudut sayapnya.
Kertas tim, “Recovery Mechanisms in the Dragonfly Righting Reflex,” diterbitkan 12 Mei di Science. Wang menulis bersama kertas dengan James Melfi, Ph.D., dan Anthony Leonardo dari Howard Hughes Medical Institute (HHMI) di Ashburn, Virginia.
Dua dekade, Wang telah menggunakan pemodelan matematika kompleks untuk memahami mekanika penerbangan serangga. Bagi Wang, fisika sama pentingnya dengan genetika dalam menjelaskan evolusi organisme hidup.
“Serangga adalah spesies paling melimpah dan yang pertama menemukan penerbangan udara. Dan libellu adalah beberapa serangga paling kuno,” kata Wang. “Mencoba melihat bagaimana mereka menegakkan diri di udara akan memberi kita wawasan tentang asal-usul penerbangan dan bagaimana hewan berevolusi saraf-senalimbangan untuk menyeimbangkan di udara dan menavigasi melalui ruang. Trajektori mereka kompleks dan tidak dapat diprediksi. Libellu terus-menerus melakukan manuver, tanpa mengikuti arah yang jelas. Itu misterius.”
Untuk mempelajari dinamika penerbangan dan algoritma internal yang mengaturnya, tim merancang eksperimen perilaku terkontrol di mana seekor libellu akan dijatuhkan terbalik dari tali magnet — premise yang tidak berbeda dari eksperimen kucing jatuh terkenal dari tahun 1800-an yang menunjukkan bagaimana refleksi “terkabel keras” menghasilkan kucing mendarat di kaki mereka. Mereka menemukan bahwa dengan melepaskan seekor libellu dengan hati-hati tanpa kontak kaki, manuver yang membingungkan serangga sebenarnya mengikuti pola gerakan yang sama, yang dapat ditangkap oleh peneliti dengan tiga kamera video high-speed yang merekam pada 4.000 frame per detik. Markers ditempatkan pada sayap dan tubuh libellu, dan gerakan direkonstruksi melalui perangkat lunak 3D-tracking.
Peneliti harus mempertimbangkan berbagai faktor — dari aerodinamika tidak stabil dari interaksi sayap dan udara hingga bagaimana tubuh libellu merespons sayapnya berdebak. Ada juga gaya yang sulit itu yang semua makhluk bumi harus akhirnya hadapi: gravitasi.
Wang dan Melfi mampu membuat model komputasi yang berhasil mensimulasikan akrobatik libellu. Namun satu pertanyaan kunci masih ada: Bagaimana libellu tahu bahwa mereka jatuh, sehingga mereka dapat memperbaiki trajetori mereka?
Wang menyadari bahwa, tidak seperti manusia yang memiliki inersi, libellu dapat bergantung pada dua sistem visual mereka — pasangan mata kompuid besar, dan tiga mata sederhana yang disebut ocelli — untuk mengukur tegak lurusnya.
Dia menguji teorinya dengan memblokir mata seekor libellu dengan cat dan mengulangi eksperimen. Kali ini, libellu memiliki kesulitan lebih besar untuk pulih di tengah penerbangan.
“Eksperimen ini menunjukkan bahwa visi adalah jalur pertama dan dominan untuk memulai refleksi menegakkan diri libellu,” kata Wang.
Cue visual itu memicu serangkaian refleksi yang mengirim sinyal neural ke empat sayap libellu, yang didorong oleh sekumpulan otot langsung yang memodulasi asimetri sudut sayap kiri dan kanan sesuai. Dengan tiga atau empat gerakan sayap, seekor libellu yang tergelincir dapat bergulir 180 derajat dan melanjutkan terbang dengan posisi yang benar. Seluruh proses memakan waktu sekitar 200 milidetik.
“Yang sulit adalah mencari tahu strategi kontrol kunci dari data eksperimental,” kata Wang. “Memakan waktu sangat lama untuk memahami mekanisme dengan seberapa sedikit asimetri sudut dapat menyebabkan rotasi yang diamati. Asimetri kunci tersembunyi di antara banyak perubahan lainnya.”
Kombinasi analisis kinematik, pemodelan fisik, dan simulasi penerbangan 3D sekarang memberi peneliti cara non-invasif untuk menyimpulkan hubungan kunci antara perilaku yang diamati hewan dan prosedur internal yang mengaturnya. Wawasan ini juga dapat digunakan oleh insinyur yang ingin meningkatkan kinerja mesin terbang kecil dan robot.
“Kontrol penerbangan pada skala puluhan atau ratusan milidetik sulit dirancang,” kata Wang. “Mesin berbip kecil sekarang dapat mendarat dan berputar, tetapi masih kesulitan untuk tetap di udara. Saat mereka miring, sulit untuk memperbaikinya. Salah satu hal yang harus dilakukan hewan adalah menyelesaikan masalah-masalah seperti ini secara tepat.”
