Von winzigen Fliegen zu riesigen Libellen, erfordert die Luftzirkulation von Insekten ausgeklügelte biologische Kontrollstrategien und ungewöhnliche aerodynamische Mechanismen. Während des Fluges können unvorhersehbare Änderungen des Umgebungsluftstroms die Körperhaltung und die Kontrolle aufgrund von Änderungen der aerodynamischen Kraftproduktion zerstören. Pionier-Entdeckungen gezeigt, dass Insekten wie Fliegen aktiv regulieren Körper Anhängsel wie Flügel, Beine und Bauch, um Luftstörungen zu begegnen. Um dieses Verhalten zu quantifizieren, untersuchte ich damit, wie sich Hausfliege Musca domestica als Reaktion auf ungerichtete, turbulente Luftströmungen und gezielte impulsive Windböen verhielt. Um theoretische Vorhersagen zu bewerten, habe ich dreidimensional rekonstruierte Körper- und Flügelbewegung mit zeitaufgelöster Hochgeschwindigkeits-Videografie und stimulierte die frei fliegenden Tiere unter Laborbedingungen. Beeinträchtigungen der Funktion der mechanosensorischen Rezeptoren erlaubten mir, zwischen aktiven und passiven Verhaltensreaktionen zu unterscheiden und die Rolle des sensorischen Feedbacks für die Flugsteuerung während Störungen zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen, dass Stubenfliegen typischerweise nicht starten, wenn die mittlere Luftgeschwindigkeit ~0.63ms-1, übersteigt, was einer relativen Turbulenzintensität von 2% entspricht. In der Luft fliegen die Fliegen sofort nach der Freisetzung und reagieren auf impulsive Windböen durch gleichmäßige Körperhaltung. Die Richtungsabhängigkeit dieser Änderungen wird durch eine numerische Aerodynamik erklärt, die auf quasi-stationären Betrachtungen der Wechselwirkung zwischen Windbögen, Körper- und Flügelgeschwindigkeiten basiert. Kürzeste Verhaltensverzögerungen wurden während einer anterioren Störung gemessen, was 2,4 ms (Gierachse), 5 ms (Rollachse) und 7,3 ms (Nickachse) betrug. Unter dieser Bedingung zeigten Fliegen die kürzeste Änderungsperiode von 8 ms (pitch), 13 ms (roll) und 17,5 ms (Gier) im Vergleich zu anderen Richtungen von Störungen. Der Körperrollwinkel ändert sich stärker (18,5-facher Anstieg) als Gier (7-fache Zunahme) und Pitch (6,4-facher Anstieg) als Reaktion auf Böen, was nahelegt, dass die Rollstabilität am empfindlichsten ist. Stubenfliegen auch aktiv modulieren die Flügel Kinematik von Luftstörungen zu erholen. Als Reaktion auf eine anteriore Störung verringern Fliegen die durchschnittliche Flügelschlagamplitude um ~ 25%, den mittleren Flügelhöhenwinkel um ~ 29% im Vergleich zu nicht störenden Kontrollen. Etwa ~ 2,5-Takt-Zyklen (~ 15ms) nach Störungsbeginn, mittlere Wingtip-Geschwindigkeit traf das Minimum von 3ms-1 und fliegt dynamisch mit geringer Flügelbewegung für 1 Hubzyklen innerhalb des Luftstroms. Während des Ansprechens auf den Böen nimmt der Flügelwinkel der Angriffe während des Abschlags um ~ 45,5% ab (~ 60,5 ° bei t = 13,5 ms), was zu einer Verringerung des Auftriebskoeffizienten führt. Dadurch wird die Hub- und Körperposition in der vertikalen Achse stabilisiert. Während des Aufstiegs erhöht sich der Flügelwinkel der Angriffe im Vergleich zu nicht störenden Kontrollen (63 ± 5,4 °) um das 1fache (~ -0,5 ° bei t = 12ms), was den aerodynamischen Widerstand der Schlagflügel erhöht. Durch die horizontale Hubebene ändert sich die Änderung der Schubkraft, die nach vorne treibt und die gietsbedingten Kräfte kompensiert. Die gemessenen Reaktionszeiten deuten darauf hin, dass die Veränderungen der Flügelkinematik nicht durch eine sensorische Rückkopplung der Antennen erklärt werden können, da Verzögerungen von Antennen und visionsvermittelter Rückkopplung höher sind als die gemessenen. Dies deutet darauf hin, dass Haltungsstabilisierungsreflexe in Fliegen wahrscheinlich aus einer Rückkopplung resultieren, die durch die gyroskopischen Halfter der Fliege vermittelt wird, wodurch posturale Veränderungen innerhalb von ~ 6,7 ms (ein einzelner Flügelschlagzyklus) signalisiert werden. Diese Arbeit erweitert unser derzeitiges Wissen über die Insektenflugsteuerung bei Luftstörungen durch Quantifizierung von Kinematik und Verhaltensverzögerungen bei Stubenfliegen.

Zusammengefasst bietet die Studie zeitaufgelöste kinematische Daten, wie Fliegen mit Turbulenz und Windböen fertig werden. Unsere Forschung liefert einen Beitrag zur Beantwortung der Frage, wie Insekten ihre überlegene Flugleistung erreichen. Die präsentierten Daten über die Stubenfliege ergänzen kürzlich Studien in anderen Arten von fliegenden Insekten und die Ergebnisse sind auch nützlich in einem weiten wissenschaftlichen Kontext. Die biologischen Flugsteuerungsstrategien können auf die biomimetischen, miniaturisierten Mikroantennenfahrzeuge übertragen werden, die durch eine Schlagflügelbewegung angetrieben werden.