Fantastische insekten stellen vliegmachines in de schaduw
NA EEN oorlog wordt de perfectie van het moderne wapentuig door journalisten en militaire experts vaak breed uitgemeten. Zij geven hoog op van de sterke punten van „slimme bommen”, lasergestuurde kruisraketten, en aanvalshelikopters met ongekende — en dodelijke — wendbaarheid. Ontegenzeglijk steekt er vaak een opmerkelijk vernuft achter deze wapens. Zelden echter wordt in zulke gloedvolle oden aan de werktuigen des doods de eenvoudige waarheid erkend, dat zelfs de meest geavanceerde, door mensen gemaakte wonderen op luchtvaartgebied qua ontwerp primitief zijn in vergelijking met de vliegmachientjes die in de schepping overvloedig voorkomen.
Neem bijvoorbeeld de kruisraket. Volgens The Wall Street Journal „is de route van de kruisraket vooraf vastgelegd in een gedigitaliseerde referentiekaart die in een computerprocessor ligt opgeslagen. Een zoomlens en elektronische sensoren houden hem op koers terwijl hij vlak boven de grond met hoge, maar nog subsone snelheid voortijlt.” Klinkt best knap, nietwaar? Maar beschouw nu eens ter vergelijking een nederig insekt — de bijenwolf.
Een kleine kaartenmaker
Ben Smith, een technisch redacteur van het computertijdschrift BYTE, schreef onlangs: „Vergeleken met de bijenwolf is de kruisraket gewoon een dom ding.” Waarom? Omdat een kruisraket, ondanks al het technisch vernuft erin, tamelijk gemakkelijk te misleiden is. Zoals Smith het stelt: „Je verschuift gewoon het doel en laat een nepmodel ervan achter. Omdat de kruisraket bij het vernietigen van zijn doel zichzelf vernietigt, kan hij nooit ontdekken dat hij een fout heeft gemaakt.”
Een bijenwolf misleiden is echter niet zo eenvoudig. Een bioloog die deze insekten bestudeert, probeerde het. Constaterend dat er op een smalle strook strand honderden in identieke holletjes bij elkaar leefden, wachtte hij tot er een wegvloog en dekte toen snel de ingang van zijn nest met zand toe. Vervolgens wachtte hij om te zien of het insekt het holletje kon terugvinden. Tot zijn verbazing landde het feilloos bij de verborgen ingang en groef die uit! De bioloog merkte op dat de bijenwolf de gewoonte had om steeds als hij vertrok of terugkwam, volgens een bepaald patroon boven zijn holletje te vliegen, alsof hij een verkenningsvlucht uitvoerde. Zou het insekt, zo vroeg hij zich af, de kenmerken van de directe omgeving in zich opnemen en dus een soort mentale kaart maken?
Om deze theorie te testen, bedekte hij het holletje opnieuw en veranderde de rangschikking van enkele denneappels die eromheen lagen. Bij zijn terugkeer nam de bijenwolf, zoals gewoonlijk, alles van boven op, en . . . landde op de verkeerde plaats! Even was hij in de war. Toen verhief hij zich in de lucht en vloog een ander verkenningspatroon — deze keer echter hoger. Klaarblijkelijk verschafte dit nieuwe perspectief het kleine insekt enkele stabielere kenmerken om zich op te oriënteren, want nu vond hij zijn verborgen hol onmiddellijk en groef het opnieuw uit.
De computer aan boord van een kruisraket kan wel bijna een miljoen dollar kosten en weegt zowat vijftig kilo. De hersenen van de bijenwolf zijn ongeveer zo groot als een speldeknop. Ben Smith zegt verder: „De bijenwolf kan ook lopen, graven, zijn prooi opsporen en vangen, en een partner vinden (iets wat voor een kruisraket rampzalig zou zijn).” Smith besluit: „Zelfs wanneer de zeer geavanceerde machines van dit jaar de prestaties van die van vorig jaar met een orde van grootte overtreffen, staan ze nog niet merkbaar dichter bij de prestaties van de hersenen van de nederige bijenwolf, laat staan bij wat de menselijke geest presteert.”
Die verbazingwekkende vleugels
Hetzelfde zou gezegd kunnen worden van de meest geavanceerde vliegtuigen van menselijke makelij, zoals aanvalshelikopters. Robin J. Wootton, een op insekten gespecialiseerde paleontoloog in Engeland, bestudeerde ruim twee decennia de manieren waarop insekten vliegen. Sommige insekten, zo schreef hij onlangs in het tijdschrift Scientific American, „vertonen verbazingwekkende staaltjes van luchtacrobatiek. Huisvliegen bijvoorbeeld kunnen vanuit volle vlucht snel vaart minderen, op één plek blijven hangen, waanzinnig scherpe haarspeldbochten maken, ondersteboven vliegen, loopings uitvoeren, om hun lengteas rollen en op een plafond landen — en alles in een fractie van een seconde.”
Maar wat precies stelt deze kleine vliegmachines tot zoveel meer in staat dan vliegtuigen van menselijke makelij? Welnu, de meeste vliegtuigen bewaren bij het manoeuvreren hun stabiliteit met behulp van gyroscopen. Vliegen hebben hun eigen versie van de gyroscoop — de halters, kolfvormige uitgroeisels op de plaats waar bij andere insekten de achtervleugels zitten. De halters trillen synchroon met de vleugels mee. Ze leiden de vlieg en houden haar in balans terwijl ze heen en weer schiet.
Het werkelijke geheim zit volgens Wootton echter in de vleugels van het insekt. Hij schrijft dat hij als doctoraalstudent in de jaren zestig ging vermoeden dat insektevleugels „veel meer [waren] dan abstracte patronen van aders en membraan”, zoals ze vaak werden afgeschilderd. In plaats daarvan, zo zegt hij, „scheen elke vleugel in mijn ogen een elegant stuk technisch vernuft in miniatuur”.
Zo zijn de lange aders in insektevleugels in feite sterke buizen waar minuscule, met lucht gevulde kanaaltjes doorheen lopen, tracheeën genoemd. Deze lichte, stijve liggers zijn onderling verbonden door dwarsaders. Het zo gevormde patroon is niet alleen mooi; volgens Wootton dient het hetzelfde doel als de vakwerkliggers en ruimtelijke frames die menselijke constructeurs gebruiken ter vergroting van de sterkte en stijfheid.
Over dit complexe raamwerk zit een membraan gespannen waar geleerden nog steeds niet alles van begrijpen, behalve dan dat het buitengewoon sterk en licht is. Wootton merkt op dat het feit dat dit materiaal over het raamwerk van de vleugel gespannen is, de vleugel sterker en stijver maakt, ongeveer zoals een schilder zal bemerken dat een wiebelige houten lijst star wordt als hij zijn doek erop spant.
Maar de vleugels moeten niet te star zijn. Ze mogen het niet begeven onder de enorme krachten waarmee de uiterst snelle vleugelslagen gepaard gaan, en moeten heel wat botsingen kunnen doorstaan. Toen Wootton de vleugels in dwarsdoorsnede onderzocht, ontdekte hij dan ook dat vele vanaf de basis naar het uiteinde geleidelijk dunner werden, waardoor ze aan de einden buigzamer waren. Hij schrijft: „De vleugels in het algemeen reageren op botsingen niet star en onbuigzaam, maar geven mee en nemen weer snel hun oorspronkelijke stand in, zoals een riet in de wind.”
Misschien nog wel opmerkelijker is dat de vleugels tijdens de vlucht van vorm kunnen veranderen. Natuurlijk doen vogelvleugels dat ook, maar vogels gebruiken hiervoor de spieren in hun vleugels. Bij insekten reiken de spieren niet verder dan de vleugelbasis. In dit opzicht is de insektevleugel als het zeil van een boot. De vormverandering moet aan de basis bewerkstelligd worden, door de bemanning op het dek, of door de spieren in het borststuk van het insekt. „Maar”, merkt Wootton op, „insektevleugels zitten veel subtieler in elkaar dan zeilen en zijn beslist interessanter. . . . Ze bevatten ook schokabsorberende delen, contragewichten, mechanismen die ervoor zorgen dat scheurtjes zich niet uitbreiden, en vele andere eenvoudige, maar verbazingwekkend doeltreffende voorzieningen — en elk ervan vergroot de aerodynamische effectiviteit van de vleugel.”
Lift — het belangrijkste
Al deze, en nog vele andere aspecten van het vleugelontwerp, stellen het insekt in staat de vleugel zo te bewegen dat datgene verkregen wordt waar het bij vliegen uiteindelijk om gaat — lift. Wootton beschrijft meer dan een half dozijn complexe manieren waarop insekten hun vleugels manoeuvreren om stijgkracht op te wekken.
De luchtvaartingenieur Marvin Luttges bestudeert al tien jaar de vlucht van libellen. Deze insekten wekken zo veel lift op dat het Amerikaanse tijdschrift National Wildlife hun wijze van vliegen onlangs beschreef als „een aerodynamisch wonder”. Luttges bevestigde kleine gewichtjes aan een soort, de Libellula luctuosa, en ontdekte dat het kleine insekt tussen de twee en twee en een half keer zijn eigen gewicht omhoog kon dragen — en met gemak. Dat betekent dat deze schepseltjes in verhouding tot hun grootte driemaal zoveel de lucht in krijgen als het efficiëntste door mensen gemaakte vliegtuig!
Hoe doen ze dit? Luttges en zijn collega’s ontdekten dat de libel haar vleugels bij elke neerwaartse slag iets draait, waardoor ze op de bovenzijde ervan minuscule wervelwindjes doet ontstaan. Deze complexe toepassing van wat ingenieurs turbulente luchtstromingen noemen, is verre superieur aan de manier waarop vliegtuigen van menselijke makelij vliegen; die zijn afhankelijk van stationaire luchtstromingen. Het is echter het vermogen van de libel „de kracht van de wervelwind aan te boren”, zo stelde National Wildlife het, dat zo’n „fenomenale lift” oplevert. Zowel de luchtmacht als de marine van de Verenigde Staten steunen Luttges’ werk. Als dezelfde beginselen in vliegtuigen konden worden toegepast, zouden ze heel wat gemakkelijker kunnen opstijgen en op veel kleinere airstrips kunnen landen.
Nog veel groter is de uitdaging de wendbaarheid van libellen te evenaren. National Wildlife merkt op dat vanaf het moment dat een libel haar allereerste vlucht aanvangt, ze „onmiddellijk wonderen [verricht] die piloten van de meest geavanceerde hedendaagse toestellen alleen in hun stoutste dromen voor mogelijk houden”.
Geen wonder dus dat de paleontoloog Wootton inzake dit onderwerp tot de conclusie kwam: „Hoe beter wij het functioneren van insektevleugels begrijpen, des te verfijnder en mooier blijkt hun ontwerp.” Hij voegde eraan toe: „Technologische equivalenten ervan zijn zeldzaam, zo ze er al zijn — althans, nu nog.”
„Althans, nu nog.” Die woorden onthullen het optimistische — zo niet arrogante — geloof dat de mens, als hem genoeg tijd wordt gegeven, praktisch alle werken van de Schepper kan dupliceren. Ongetwijfeld zal de mens opmerkelijke, ingenieuze imitaties blijven maken van de dingen die hij in de natuur ontdekt. Maar laten wij één punt niet vergeten: Imiteren is één ding; maar om als eerste iets tot bestaan te brengen is nog heel wat anders. Het is zoals de wijze man Job ruim dertig eeuwen geleden zei: „Vraag alstublieft de huisdieren, en ze zullen u onderrichten; ook de gevleugelde schepselen des hemels, en ze zullen het u vertellen. Wie onder al deze weet niet heel goed dat Jehovah’s hand zelf dit heeft gedaan?” — Job 12:7, 9.