Novel flight type and lightweight wings increase flight efficiency of tiny beetles

Datenberichterstattung

Es wurden keine statistischen Methoden verwendet, um die Stichprobenumfänge vorher festzulegen. Die Experimente waren nicht randomisiert, und die Forscher wurden während der Experimente und der Ergebnisbewertung nicht hinsichtlich der Zuteilung verblindet.

Material

Adulte Federflügelkäfer (P. placentis (Coleoptera: Ptiliidae)) wurden im November 2017 im Cát Tiên Nationalpark, Vietnam, gesammelt. Die Käfer wurden gesammelt und zusammen mit dem Substrat zu ihrer Sicherheit an das Labor geliefert. Hochgeschwindigkeitsvideoaufnahmen wurden am selben Tag während einiger Stunden nach dem Sammeln gemacht.

Morphologie und Morphometrie

Das Material für morphologische Untersuchungen wurde in alkoholischer Bouin-Lösung oder in 70 % Ethanol fixiert. Die Flügelstruktur wurde unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops (SEM Jeol JSM-6380 und FEI Inspect F50) nach Dehydratisierung der Proben und Trocknung am kritischen Punkt, gefolgt von Goldsputtern, untersucht. Ein konfokales Mikroskop (CLSM Olympus FV10i-O) und ein Durchlichtmikroskop (Olympus BX43) wurden ebenfalls verwendet, wofür die Proben geklärt und mikroskopische Objektträger hergestellt wurden26 (Ergänzende Angaben). Messungen wurden von digitalen Fotografien in Autodesk AutoCAD-Software in zehn Wiederholungen (sofern nicht anders angegeben) genommen. Körpergewichte und Gewichte bestimmter Körperteile wurden auf der Grundlage von dreidimensionalen Rekonstruktionen berechnet (Ergänzende Informationen).

Flügelmasse und Trägheitsmomente

Die Volumina des Blattstiels und des membranösen Teils (des Flügels) des Flügels wurden unter Verwendung von bildbasierten geometrischen CLSM-Modellen gemessen. Es wurde eine gleichmäßige Kutikuladichte von 1.200 kg m-3 angenommen27. Die Flügelmasse wurde durch Aufsummieren der Beiträge von Blattstiel, Blattspreite und Borsten erhalten. Um die Masse der Setae zu berechnen, haben wir zunächst ihre lineare Dichte (0,96 μg m−1) unter Verwendung eines dreidimensionalen Modells geschätzt25 und mit der Länge multipliziert. Der Blattstiel und das Blatt des Flügelmodells haben eine konstante Dicke ohne Adern. Ein möglicher Bereich der Membrandicke wurde auf der Grundlage von Messungen bei T. telengai (Hymenoptera: Trichogrammatidae, Körperlänge 0,45 mm), O. atomus (Coleoptera: Corylophidae, Körperlänge 0,8 mm) und L. atomus (Coleoptera: Hydraenidae , Körperlänge 1,1 mm), auf 0,5 µm dicke histologische Schnitte, erhalten durch Diamantmesserschneiden unter Verwendung eines Leica-Mikrotoms, nach Fixierung und Einbettung in Araldit. Diese Werte sind die minimalen Dicken, die bei jeder Art gemessen wurden. Die Messungen wurden unter Verwendung eines Olympus BX43-Mikroskops durchgeführt. Der Messfehler der Längenmaße liegt in der Größenordnung von 1 % in Spannweiten- und Sehnenrichtung und 10 % für die Dicke. Die SD der Flügelkutikuladichte25 beträgt etwa 100 kg m−3. Dies deutet darauf hin, dass der gesamte Wurzelsummenquadratfehler der Flügelmassenberechnung etwa 13 % beträgt. Zur Bewertung der Trägheitsmomente wurden die Oberflächendichte der membranartigen Teile und die lineare Dichte der Borsten berechnet. Die Trägheitsmomente der einzelnen Setae wurden mit der Formel für einen dünnen Stab im Winkel und dem Parallelachsensatz berechnet. Die Trägheitsmomente der membranösen Teile wurden mit einer zweidimensionalen Quadraturregel mit dem Diskretisierungsschritt von 50 μm berechnet.

Hochgeschwindigkeitsaufnahme

Der Flug der Käfer wurde in geschlossenen 20 × 20 × 20 mm großen Kammern aufgezeichnet, die speziell aus 1,0 mm dicken Objektträgern und 0,15 mm Deckglas bei einer natürlichen Beleuchtungsstärke im sichtbaren Licht hergestellt wurden. Während der Aufzeichnung befanden sich 20–30 Insekten in der Flugkammer. Zur Temperaturstabilisierung wurde die Flugkammer durch einen Luftventilator von außen gekühlt. Die von einem digitalen Thermoelement gemessene Umgebungstemperatur betrug 22–24 °C; die Temperatur der Flugkammer betrug 22–26 °C.

Hochgeschwindigkeits-Videoaufnahmen wurden mit zwei synchronisierten Evercam 4000-Kameras (Evercam) mit einer Frequenz von 3.845 FPS und einer Verschlusszeit von 20 μs im Infrarotlicht (850 nm LED) gemacht. Die Hochgeschwindigkeitskameras wurden auf optischen Schienen genau orthogonal zueinander montiert und beide im 0°-Winkel zum Horizont positioniert. Zwei IR-LED-Leuchten wurden gegenüber den Kameras und eine Leuchte über der Flugkammer platziert. Eine grafische Darstellung des Versuchsaufbaus findet sich in der vorangegangenen Studie2.

Vermessung der Kinematik

Für die Analyse wurden 13 Aufnahmen ausgewählt. Für vier davon (PP2, PP4, PP5 und PP12) haben wir die Kinematik von Körperteilen in jeweils vier kinematischen Zyklen rekonstruiert und CFD-Berechnungen durchgeführt, da der Flug dieser Exemplare dem konventionellen Schweben besonders ähnlich war: relativ langsamer Normalflug mit horizontaler Geschwindigkeit 0,057 ± 0,014 ms−1 (im Folgenden Mittelwert ± sd) und 0,039 ± 0,031 ms−1 Vertikalgeschwindigkeit (PP2, PP4, PP5 und PP12). In der CFD-Analyse mit dem membranösen Flügelmodell haben wir die Kinematik von PP2 ausgewählt, die die Flügel beim Klatschen nicht kreuzt. Dieser Fall ist geeignet, um die Leistung von Borstenflügeln mit häutigen Ersatzflügeln zu vergleichen, da er garantiert, dass sich letztere nicht schneiden. Der Umfang der Membran wird durch Linien gebildet, die die Spitzen der Borsten verbinden (siehe die vorherige Studie25 für mehr Informationen). Die Beschreibungen von Kinematik und Aerodynamik sowie die Abbildungen beziehen sich auf Ergebnisse, die für einzelne PP2 erzielt wurden. Für die Ergebnisse anderer Proben siehe ergänzende Informationen und erweiterte Daten Abb. 2, 46.

Die durchschnittliche Flügelschlagfrequenz wurde als Mittelwert der Flügelschlagfrequenz in allen Aufzeichnungen berechnet. Bei jeder Aufnahme wurde die Anzahl der Frames in mehreren vollständigen kinematischen Zyklen gezählt, insgesamt 104 Zyklen.

Zur mathematischen Beschreibung der Kinematik der Flügel und Flügeldecken haben wir das System der Euler-Winkel verwendet28,29 (Feige. 2b) basierend auf einer Frame-für-Frame-Rekonstruktion der Position der Körperteile des Insekts (Flügel, Elytra und Körper selbst), die in Autodesk 3Ds Max durchgeführt wurde. Dreidimensionale Modelle des Körpers und der Flügeldecken wurden durch konfokales Mikroskopbildstapeln erhalten, und das flache Flügelmodell basierte auf lichtmikroskopischen Fotos von sezierten Flügeln. Wir haben das starre Flachflügelmodell zur Rekonstruktion der Kinematik verwendet, da die Verformungen der Flügel gering sind (Ergänzende Informationen). Zuerst haben wir Rahmensequenzen mit jeweils vier vollständigen kinematischen Zyklen vorbereitet. Die Rahmen wurden dann zentriert und punktweise zwischen den Basen der Flügel beschnitten und dann als orthogonale Projektionen platziert. Virtuelle Modelle von Körperteilen wurden in ein Koordinatensystem mit zwei Bildebenen gelegt. Dann veränderten wir manuell die Position und drehten Körperteile, bis ihre orthogonalen Projektionen die Bildebenen überlagerten. Zur Berechnung der Eulerwinkel wurde ein Koordinatensystem erstellt (Abb. 2a). Die X0Y-Ebene ist eine Ebene parallel zur Schlagebene und schneidet die Basis des Flügels oder Elytrons, der im Nullpunkt positioniert ist. Um die Position der Strichebene zu bestimmen, haben wir anstelle der linearen Trendlinie die Trendlinie der Hauptachse der Flügelspitzenkoordinaten berechnet29, weil die Flugbahn der Flügelspitze von P. placentis ein breites Streudiagramm bildet. Der Hubabweichungswinkel (θ) und der Positionswinkel (φ) wurden aus den Koordinaten der Basis und des Scheitels berechnet. Der Steigungswinkel (ψ) ist der Winkel zwischen der Strichebene und der Sehne senkrecht zur Linie zwischen Basis und Scheitel. Der Körperneigungswinkel (χ) ist der Winkel zwischen Schlagebene und Längsachse des Körpers, berechnet als Linie zwischen der Bauchspitze und dem Mittelpunkt zwischen den apikalen Antennen. Der Neigungswinkel (β) der Strichebene relativ zum Horizont wurde ebenfalls gemessen.

Für die Analyse der Fluggeschwindigkeit haben wir in beiden Projektionen die Verfolgung der Körpermitte (Mittelpunkt zwischen den äußersten Rändern des Kopfes und des Bauches) in Tracker (Open Source Physics) durchgeführt und die momentane Geschwindigkeit und ihre vertikalen und horizontalen Komponenten in jedem Frame berechnet . Die erhaltenen Geschwindigkeitswerte wurden durch Lössanpassung in R (Statistikpaket) gefiltert. Der minimale Abstand zwischen den Flügelblattspitzen während des Bodenschlags wurde ebenfalls berechnet.

Computergestützte Strömungsdynamik

Es wurden Zeitintervalle des Langsamfluges mit einer Dauer von mehr als vier Flügelschlägen ausgewählt. Die Winkel φ, θ und ψ des linken Flügels, rechten Flügels und der Flügeldecken sowie der Körperwinkel χ wurden auf einem einheitlichen Gitter mit der Zeitschrittweite Δt = 2,6 × 10−6 s interpoliert. Durch numerisches Lösen von φ

Nashville Predators 3, Detroit Crimson Wings 2: Two Factors, None for Fashion

After two painful games on the Tampa Bay Lightningwhich resulted in days of Predators fans asking for mercy from the hockey gods Nashville Predators took the ice tonight against the 3-9-2 Detroit Red Wings.

Action of the first period

Pekka Rinne started in the network for the Predators. Fillip Forsberg got hungry but couldn’t get two great shots on the net early. Detroit’s Bobby Ryan took a great step toward goal, but Rinne refused to comply. The Predators had some expanded chances offensive – some even exciting ones – but exciting opportunities weren’t converted into goals. It was encouraging to see that the Predators looked at least offensive, even when it was against a fighting Red Wings team.

Photo by John Russell / NHLI via Getty Images

And then it happened.

A trip penalty against Dante Fabbro brought the Red Wings into the power game. Every Predators fan shuddered together as the Preds prepared for the penalty kick. The game against the Red Wings’ lousy power play was a good chance to build confidence, and the Predators killed the penalty kick without allowing a single shot on goal. Immediately following that special team opportunity, Matt Duchene took advantage of his violation voodoo and drew a penalty to bring the Predators into the power game.

With the man advantage, Filip Forsberg sent a beautiful cross-ice pass to a waiting Ryan Ellis, who buried the puck at 2:58 pm with one of the better looking goals of the season.

The Red Wings ended the period with their first really extended game in their offensive zone. Although the Predators finally cleared the puck, Colton Sissons slipped and Robby Fabbri, with the assistance of Anthony Mantha, found the back of the net at 7:25 pm.

The first period ended 1: 1.

Action of the second period

How would the Predators react if they gave up a goal less than a minute from time in the first half? Mental toughness under pressure was a focus for head coach John Hynes, and this was an opportunity to measure growth.

Forsberg and Arvidsson had an early two-on-one chance, but Forsberg’s pass to Arvy was interrupted and the only thing that landed in goal was # 33.

And then it happened … again.

Tinordi went to the sin container with a trip-call, and the Predators played down a man again. Rinne saved two shots and the penalty units clogged the neutral zone, won a defensive zone and made several good clearings. Aided by the Red Wings’ offside and poor pass tendency, the Predators recorded a second successful (and statistically useful) penalty.

The second half saw no offensive chances in the first half, but the Predators received a gift from above when Givani Smith caught Matt Benning with a high stick. The Preds’ first unit was set up early in the offensive zone but could not find the net. The second power play unit could not be set up and the power play ended with a better rested Red Wing and no change in score.

The Predators struggled to play clean hockey but were rescued by Rinne more than once.

Detroit Red Wings versus Nashville Predators

Photo by John Russell / NHLI via Getty Images

The game wasn’t pretty, but luckily Detroit’s game was just a little uglier. The Predators struggled to generate a meaningful, sustained offensive, and at times appeared to be arbitrary on defense. The hockey gods smiled at the boys in gold after a bad pass from Yakov Trenin landed on Frans Nielsen’s stick in the slot, but a ricochet off the crossbar spared the Predators.

Finally, after what the Preds described as anemic offensive phase, Calle Jarnkrok made a sharp pass to Matt Duchene, who knocked the puck through Greiss’ five-hole at 19:19.

But to prevent any dynamism or confidence from growing in Smashville, Marc Staal shot the puck past RInne only thirteen seconds later. Again, the Predators ended a period in which the Red Wings were able to level the game 2-2.

Third period action

And then it happened … again.

Less than a minute into the third half, Mikael Granlund walked to the penalty area after lifting the puck and taking it out of play, and the Predators had to kill another penalty kick. One chance for the Red Wings was answered by a shorthanded chance for the Preds, but unsurprisingly neither team managed to score.

Granlund was barely back on the ice from sin and this time took a penalty. Both power play units had positioned themselves in the offensive zone, but neither group could find the back of the net with the man advantage.

Just three minutes later, the Predators were given another chance at the power play when Ryan Ellis drew a penalty. Again, the Predators spent part of the time in the offensive zone, but no target.

Detroit Red Wings versus Nashville Predators

Photo by John Russell / NHLI via Getty Images

The hockey gods dozed off in the middle of the third period (as did the Predators and Red Wings, and possibly some fans too). While the Predators sought control of routes, they failed to capitalize on possession and did not play defensively with confidence.

And then it happened. You know what i’m talking about.

Yakov Trenin was told to hook six minutes before the end of the game. The Predators had a good chance but couldn’t finish. Rinne held the puck out of the net and the Predators survived another penalty.

Three minutes before the end of the game, Rinne halted an attack on Mantha with a giant save, but Greiss returned the favor with a direct slot shot from Matt Duchene. This game would get down to earth.

Dante Fabbro became the hero the predators needed. A shot from the blue line sailed past Greiss at 19:01.

The Red Wings immediately took time out and went online but failed to tie that game and the Predators won 3-2.

Three takeaways:

  1. Do you like bacon? Apparently, Pekka Rinne too, for saving the Predators’ Bacon the whole game. It was vintage pekka. Without his key rescues, the Predators could have dropped this game on the Red Wings.
  2. If the Predators want to spend time in the offensive zone, they have to score. Even though the Predators spent a lot of time in the O-Zone, they only scored 3 goals. This is not a production that this team will put in the overall standings.
  3. To measure how good you are, play against the best. To measure how bad you are, you play against the worst. The Tampa Bay game revealed a lot about this team. The game against Detroit was good too. While the Predators run away by two points, this game was played at the end of the division. The team has to rise if it is to be taken seriously.

The Predators are taking their two points and perhaps a touch of momentum in their rematch with Detroit on Saturday night at 7:00 p.m.