Винска мушица / Robofly

Резервоар je празан, осим парчета пластике облика инсектовог крила, које млатара из механичке руке. Када Дикинсон укључи филтер, резервоар шприца маглу мехурића, а иначе је напуњен са две тоне минералног уља. Дикинсон типка по тастатури, и крила почињу да се крећу полако, кроз уље. Замахују напред и назад формирајући од неорганизованог облака мехурића један успорени вртлог силазне завесе дијаманата.

Дикинсон стоји испред Робофлаја, пажљиво посматрајући вртлог за вртлогом. Без сумње, права винска мушица, побегла из једног другог експеримента, ношена ударима крила 200 пута у секунди и потиснута сићушним, невидљивим вртлогом којег је сама створила. Дикинсон то све игнорише. Робофлај је постала његова опсесија током више од деценије, од када је направио први прототип у Немачкој. Резерворар је тада пунио шећерним сирупом. «Било је шећера свукуда по лабораторији», присећа се Дикинсон, «и чистачице су почеле штрајк.»

Лепљивост је добар израз за описивање Дикинсоновог приступа науци. Када би се једном закачио за проблем, он га неби испуштао све до решења. Током скоро читаве своје каријере у стању је решавати једно наизглед једноставно питање: Како мува лети?

Мада инжењери деценијама смишљају летелице које могу прећи океан, аеродинамика инсеката им је остала збуњујућа. Начин како авион производи силу која га подиже може се сажети у следећи концепт: Ваздух струји преко врха крила, производећи мањи притисак од ваздуха испод, а та неједнакост одржава висину лета крила. Инсекти, међутим, мада опремљени безначајним мозгом, чине сложене маневре, који далеко превазилазе могућности авиона. Они се окрећу брже од све и једног борбеног млазњака и слећу наглавачке на плафон. «Те животиње обављају перфектно бочно кретање, покрете назад и напред, могу се окретати у месту», каже Дикинсон. «Сваки пут када направимо неки експерименат, питамо се како, до ђавола, тако мајушни нервни системи то чине?»

Таква питања су га навела да изгради нови Робофлај – 100 пута већи и 1000 пута спорији од винске мушице – а затим растућу фамилију чудних машина са именима попут Bride of Robofly, Fly-o-rama и Rock-and-Roll Fly Arena, свих креираних да би помогле откриће тајне лета инсеката. Одговори које је Дикинсон, чији е-мејл надимак је flyman, напабирчио помоћу својих направа, једног дана би могли омогућити инжињерима да направе аутоматску летелицу величине зрна риже, за истраживање других планета, улетање у запаљене зграде код тражења жртава, или шпијунирању ратног непријатеља, буквално, мува на зиду. «Он има основу инжењера и развој биолога», каже Роналд Феаринг, електро-инжењер са Берклија који са Дикинсоном градњи роботске летеће направе.

Прошле године је Дикинсон својим истраживањима стекао чланство «генија», MacArthur петогодишњу награду од $500.000, без условљавања. MacArthur дружина се бира према изузетној креативности, и радовима који обећавају важан напредак.

Дикинсон је мали 39-годишњак са наочалама и густом брадом због које пролаши као шумски човек на својим честим излетима. Мушице су му ушле у главу средином 1980-их, када је докторирао неуробиологију на универзитету у Вашингтону. Винске мишице су заморчићи ове области, јер имају само 500.000 неурона – у поређењу са 100 милијарди људског мозга. Већину тих неурона мишице користе за прикупљање опажаја, укључујући очни вид, мирис осетљивим длакама и равнотежу коју даје жироскоп иза крила, обликован као штап. Ти сигнали струје нервним системом, који затим шаље наредбе крилима. Наредбе морају бити једноставне и изванредно прецизне, јер је време између удара крила једва неколико хиљадитих делова секунде.

Након дипломирања, Дикинсон је проучавао напрезања крила мушица и њихов осећај за износ савијања крила. Али га је нешто почело узнемиравати. «Како могу разумети шта користе сензори на крилу муве ако не разумем силе са којима се крило сусреће?» он се чуди.

Дикинсон и колеге проучавају аеродинамику лета инсеката помоћу пумпања мехурова у овај резервоар минералног уља, а затим посматрајући како уље лети около две пластичне површине (на дну) које симулирају крила мушице (некад користе само једно). Сензори записују силе акције на тим увећаним крилима.

Деценијама, научници су покушавали да ураде управо то што је добијено у тунелима на моделима крила инсеката. Али 1984. је биолог Чарлс Елингтон са универзитета у Кембриџу истражио мере које су биле запањујуће и нашао да бројеви нису додавани. Нико није био у стању да објасни чак нити половину силе узгона коју инсекти стварају.

Од тада, истраживачи су предлагали мноштво начина за објашњење узгона инсеката. Оцењивање тих теорија је било немогуће, јер је било просто превише непознатих у разматрању: «Не постоји компјутер на планети који би нам рекао какве су то силе», каже Дикинсон. Он је одлучио да примени другачији приступ: «Меримо».

Дикинсон је знао да не може мерити силе на делу код живих инсеката: Чак нити најмањи сензори се не могу причврстити на крило муве. Зато је одлучио да употреби механичку муву. Загонетни део био би наћи експериментом силе које мува постиже. Ваздух се понаша веома различито око инсекта у односу на велику животињу. За нас, то је деликатно и клизаво подручје. Али на реду величина мушица, то је густо и лепљиво.

Радећи са Карлом Гетзом из Макс Планковог института за кибернетику биологије у Немачкој, Дикенсон је направио своје прво крило робота. Нашао је да 5 центиметара дуго крило млатарањем кроз шећерни сируп приказује исте силе као и крило много мање мушице у ваздуху. Дикинсон и Гетз су направили крило и дизајнирали мотор за једноставну компјутерску контролу који ће га покретати. Док је сензорима вођено крило махало кроз сируп, они би пунили резервоар струготинама алуминијума. Затим би мерили вртлоге струготина и упоређивали их са силама које би добили помоћу сензора.

Дикинсон је откио да мушица користи бројне трикове да произведе силу узгона. Уместо да једнолико клизи преко крила, горња струја ваздуха формира налет вртлога дуж водеће ивице крила. Такав вртлог смањује притисак ваздуха одозго, стварајући један додатни притисак одоздо.

Сваки пилот ће вам рећи да је велико нагињање крила ризична стратегија. Што се стрмије авион пење, то теже струја ваздуха која путује преко врха крила остаје везана за ивицу крила. Када их струја све заједно повуче, авион губи узгон и брзину. Али мушице имају једну предност над авионима: Они не морају држати своја крила у крутим позицијама. Летећи лепршају крилима напред назад тако брзо да се вртлози на водећој ивици крила немају времена одвојити, пре него што се заврши удар. На крају сваког удара, мушица окрене своје крила тако да са њима може лепршати у супротном правцу. Тако креира нови вртлог, док онај стари безопасно клизи – не проузрокујући пад.

Дикинсонов тим користи симулатор, који има стерео видео систем, да би научио како мушице «спајају» информацију из своје околине да би донели одлуку о правцу лета, када да се окрену и где да слете.

Каснији експерименти са Робофлајем, чији распон крила је 64 центиметра, открио је други узрок погона, који се јавља када мува, између замаха, ротира крилима. Објект при ротацији (као тениска лопта ударена бекспином) гура ваздух преко своје горње површине, што смањује притисак ваздуха испод, и гура ваздух у супротном правцу испод, повећавајући притисак тамо. Ова ротациона сила, која се такође произведе када мува лепрша крилима, може снабдјети инсекта до трећине њеног укупног узгона.

Мува може, такође, произвести дизање идући сопственим трагом. Док просипа вртлог крилима на крају сваког удара, вртлог полако клизећи одлази, стално ротирајући. Када инсект враћа крила кроз следећи удар, Дикинсон је нашао, траг притишће крила поново и дижући их.

Декриптујући физику лета инсекта, Дикинсон се нашао у друштву људи који праве роботе. Недавно је помогао колеги са Берклија, Феарингу, да направи Микромеханичког летећег инсекта, направицу једва већу од 2 центиметра, која лети попут удара ветра, за коју су добили помоћ Канцеларије за морнаричка истраживања и Агенције за напредну одбрану. Међутим, роботски удар-ветра лети једино привезан и то са само једним крилом. Главни ограничавајући фактор, каже Дикинсон, је батерија, која је превелика и преслаба да би подржала продужени лет у реалности.

Дикинсон се интересује за роботику као биолог; он нема аспирација да постане следећи Орвил Рајт. Он гледа на летеће направице као могућност да оцени своја опажања о животињским функцијама. «У биологији, ретко сте у могућности да тестирате сопствене идеје правећи нешто», он каже.

РОКЕНРОЛ ЛЕТЕЋЕГ ПОЛИГОНА – How do flies steer?

Ова «виртуелна» арена је постављена на карданов зглоб, дозвољавајући истраживачима да проучавају природне жироскопе мува, док управљају шарама светлости на зиду.

Дикинсон је недавно преселио своју лабораторију у Калифорнијски институт за технологију у Пасадени, где са студентима наставља развој машина за проучавање лета инсеката, каква је Rock-and-Roll Fly Arena, симулатор летења винских мушица. Арена је шупљи цилиндар пречника 15 центиметара, са 12.000 светлећих диода пореданих у унутрашњем зиду. Дикинсонов тим залепи мушицу на врху управљачког штапа у средини арене, остављајући јој крила неспутана. Зид који окружује лет осветљава покретним шарама шипки и кутија које варају муву, уверавајући је да слободно лети по арени.

Када се мушица покуша окренути, камера региструје промене у покрету крила и преноси ту информацију компјутеру, који брзо мења светло на зиду. Мува «мисли» да је то стварно окретање, да управља без препрека. Назив «Рокенрол» арене долази од начина на који симулатор посрће и кривуда, омогућавајући Дикинсону и студентима да проучавају жироскопе мува.

Арена је помогла Дикинсоновом тиму да развије скуп правила за која мисле да могу објаснити маневрисање мува. Када се мува креће ка објекту, објект нараста у њеним очима. Ако он расте у једом оку више него у другом, мува се окреће да га избегне; ако је повећање равно испред, мува пружа ноге и слеће. Да би тестирао ову теорију, Дикинсон са студентима је направио машину коју су назвали Флајбол (слично: eyeball – очна јабучица).

Флајбол се састоји од видео камере монтиране на систему шина. Она путује по арени украшеној случајним узорцима белих и црних квадрата и чији снимци се шаљу компјутеру. Компјутер користи Дикинсонова правила да бира где ће даље. Дикинсон се нада да ће моћи направити одлуку о окрету онако како то ради мушица. «Фино је правити дијаграм, али да бисте заиста нешто направити морате стрпати новац у уста». Ако је он у праву, камера ће имати исту путању као права мушица. Ако није, разбиће се о зид.

Мајкл Дикинсон је фасциниран летењем муве јер оно изгледа тако једноставно, а опет може произвести невероватне ваздушне подвиге.

Начелно, Дикинсон се нада да ће све што је научио о лету мува применити за један већи проблем: како је еволуирао лет инсеката.

Инсекти су вероватно развили крила из крљушти пре више од 300 милиона година. Крила су била тајна њиховог успеха – летећи инсекти чине велику већину од свих познатих врста живота на Земљи. Од појаве лета, инсекти имају фино подешену анатомију која је прилагођена читавом спектру стилова летења, од широког клизења крилима вилинског коњица до љуто-борбеног налета оса. «Морате разумети механизам пре него што разумете еволуцију понашања», каже Дикинсон.

Али је за Дикинсона тешко замислити дан када ће моћи рећи да је одговорио на сва своја питања. «Што више проучавам лет, све више схватам колико га слабо разумем», он каже.
Након обиласка студената, Дикинсон се враћа у своју канцеларију, где је Марк Фри, колега по докторату, који очекује помоћ. Фри пише компјутерски програм за симулацију за ваздушни удар винске мушице – сувопаран оквир за флајбол. Симулирана мушица прави путању кроз симулирани простор, користећи правила понашања која је саставио тим. Али то није рад.

«Ако им дозволим да се окрену у само једном правцу, то изгледа добро,» каже Фри. Али ако симулиране мушице бирају на који начин ће се окретати, добијем шашав резултат.

Дикинсон нуди неколико сугестија – можда да инсект не реагује само на оно испред већ и на оно што је видео мало пре. Они покушавају наћи како би то Фри могао преточити у програм, а затим ћуте, обојица помало исцрпљени. Тада Фри прозбори три речи које су нека врста мотоа Дикинсоновог тима, и често их можете пронаћи нажврљане на табли негде у лабораторији:

«Мали (псовка) роботи.»

Дикинсон се смеје изражавајући осећања: «Мали (псовка) роботи.» Те аветињски просте креатуре које, неуролошки говорећи, имају нешто више од неколико кругова, још увек успевају да га збуне сваким проласком. Дикинсонов мото је и израз афекта. «Муве су чудесне ствари,» он каже. «Можда сваки човек на планети види бар једну муву дневно, а још увек их не запажамо. Тачно испред нашег носа су те изванредне мале машине.»