Lopend op de campus van Caltech, onderzoeksingenieur Chris Roh (MS '13, doctoraat '17) zag toevallig een bij vastzitten in het water van Millikan Pond. Hoewel het een algemeen genoeg gezicht was, het leidde Roh en zijn adviseur, Mory Gharib (Ph.D. '83), tot een ontdekking over de potentieel unieke manier waarop bijen navigeren op het grensvlak tussen water en lucht.

Roh zag de bij tijdens de jarenlange droogte in Californië, toen de fontein van de vijver was uitgeschakeld en het water stil was. Het incident gebeurde rond het middaguur, dus de bovenliggende zon wierp de schaduwen van de bij - en, belangrijker, de golven gekarnd door de inspanningen van de zwaaiende bij - direct op de bodem van het zwembad.

Terwijl de bij worstelde om zijn weg naar de rand van de vijver te vinden, Roh merkte op dat de schaduwen op de bodem van het zwembad de amplitude van de golven vertoonden die door de vleugels van de bij werden gegenereerd. evenals het interferentiepatroon dat ontstond toen de golven van elke afzonderlijke vleugel tegen elkaar botsten.

"Ik was erg opgewonden om dit gedrag te zien en dus bracht ik de honingbij terug naar het lab om het van dichterbij te bekijken, "zegt Roh.

Werken met Gharib, Caltech's Hans W. Liepmann hoogleraar luchtvaart en bio-geïnspireerde techniek, Roh herschiep de omstandigheden van Millikan Pond. Ze deden water in een pan, liet het volkomen stil worden, en zet dan bijen, een per keer, in het water. Terwijl elke bij in het water fladderde, gefilterd licht werd er direct op gericht, om schaduwen op de bodem van de pan te creëren. Roh en Gharib bestudeerden 33 bijen afzonderlijk voor een paar minuten per keer, na een paar minuten voorzichtig uitscheppen om ze te laten herstellen van hun zweminspanningen.

Een paper waarin wordt beschreven wat ze hebben gevonden, werd gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences op 18 nov.

Als een bij op het water landt, het water plakt aan zijn vleugels, het beroven van het vermogen om te vliegen. Echter, die plakkerigheid zorgt ervoor dat de bij water kan slepen, golven creëren die het voortstuwen. In het labortorium, Roh en Gharib merkten op dat het gegenereerde golfpatroon van links naar rechts symmetrisch is. Een sterke, golf met grote amplitude met een interferentiepatroon wordt gegenereerd in het water aan de achterkant van de bij, terwijl het oppervlak voor de bij de grote golf en interferentie mist. Deze asymmetrie stuwt de bijen voort met de minste kracht - ongeveer 20 miljoenste van een Newton. (Als referentie, een middelgrote appel in je hand oefent door de zwaartekracht ongeveer één Newton kracht uit op je handpalm.)

"De beweging van de vleugels van de bij creëert een golf die zijn lichaam naar voren kan rijden, " zegt Gharib. "Het is draagvleugelboten, of surft, op weg naar veiligheid."

Slow-motionvideo onthulde de bron van de potentieel levensreddende asymmetrie:in plaats van alleen maar op en neer in het water te fladderen, de vleugels van de bij pronate, of naar beneden buigen, bij het naar beneden duwen van het water en supinate (curve naar boven) bij het terugtrekken, uit het water. De trekkende beweging zorgt voor stuwkracht, terwijl de duwbeweging een herstelslag is.

In aanvulling, de vleugelslagen in water zijn langzamer, met een slagamplitude - de maat voor hoe ver hun vleugels reizen wanneer ze flapperen - van minder dan 10 graden, in tegenstelling tot 90-120 graden wanneer ze door de lucht vliegen. Gedurende het hele proces, de dorsale (of boven) zijde van de vleugel blijft droog terwijl de onderzijde zich aan het water vastklampt. Het water dat aan de onderkant van de vleugel blijft hangen, geeft de bijen de extra kracht waarmee ze zich voortstuwen.

"Water is drie orden van grootte zwaarder dan lucht, daarom vangt het bijen. Maar dat gewicht maakt het ook nuttig voor de voortstuwing, "zegt Roh.

De bijen lijken niet genoeg kracht te kunnen genereren om zich direct uit het water te bevrijden, maar hun vleugelbeweging kan ze naar de rand van een poel of vijver stuwen, waar ze zichzelf op het droge kunnen trekken en wegvliegen. Hydrofoiling is veel belastend voor de bijen dan vliegen, zegt Roh, die schat dat de bijen de activiteit ongeveer 10 minuten zouden kunnen volhouden, ze een vast raam geven om de rand van het water te vinden en te ontsnappen.

De beweging is nooit gedocumenteerd bij andere insecten, en kan een unieke aanpassing door bijen vertegenwoordigen, zegt Roh.

"Op warme dagen, bijenkorven hebben water nodig om af te koelen, " zegt Roh. "Dus als de temperatuur stijgt, arbeiders worden eropuit gestuurd om water te verzamelen in plaats van stuifmeel." De bijen zullen een waterbron vinden, sommige slikken in een speciale kamer in hun lichaam, en dan wegvliegen. Soms, echter, ze vallen erin. En als ze zichzelf niet kunnen bevrijden, zij gaan dood.

Roh en Gharib, die werken in Caltech's Center for Autonomous Systems and Technologies (CAST), zijn al begonnen met het toepassen van hun bevindingen op hun robotica-onderzoek, het ontwikkelen van een kleine robot die een soortgelijke beweging gebruikt om over het wateroppervlak te navigeren. Hoewel arbeidsintensief, de beweging zou ooit kunnen worden gebruikt om robots te genereren die zowel kunnen vliegen als zwemmen.

De studie is getiteld "Honingbijen gebruiken hun vleugels voor de voortbeweging van het wateroppervlak."