Miként ugrik az ugróvillás?

Az ugróvillások a bolygónk legnagyobb számban élő, nem rovar ízeltlábúi, 9400 ismert fajuk lakik nedves környezetben, és már 400 millió éve is bolygónkon éltek. Alapvetően a talajban található korhadékot, illetve gombákat, algákat esznek, fontos részei a tápanyagokat visszaforgató élőlény-közösségnek. Közéjük tartoznak, a rendkívül bájos voltuk miatt közkedvelt gömböcugrókák is. A hétköznapi életben leginkább a szobanövényeink cserepeiben találkozhatunk az ártalmatlan ugróvillásokkal, a vadonban nedves talajban, illetve az avarrétegben laknak, számos fajuk vízhez közeli életmódú, így vízfelszínen is láthatunk ugróvillásokat. Ez utóbbiak a vizet – a felületi feszültségnek köszönhetően – ugyanúgy használják, mint mi a szilárd talajt.

A Georgiai Műszaki Egyetem (Georgiatech) fiatal kutatója, Victor Ortega-Jimenez néhány éve a lakhelye közeli patakoknál figyelte az ugróvillások manővereit. Arra gondolt, hogy az állatkák nevét adó ugrások a ragadozók elleni védekezés részei.
Felmerülhet, mi a csudát akar egy műszaki tudományokban jeleskedő kutató az élővilágban? Nem mást, mint ellesni az ugróvillások tehetségét, majd azt leutánozni, és a robotika nyelvére fordítani.

A kutató az ugróvillások ugrásainak megfigyelését követően számítógépes-robotikai modellezéssel, valamint folyadékdinamikai kísérletekkel az ugróvillák működésének mechanikai tulajdonságait tárták fel. Kiderítették, miként képes az állatka irányítani az ugrását, hogyan helyezkedik a légi manőver során, majd érkezik vissza a felszínre, általában talpra esés formájában, miközben mindezt egy szemvillanás alatt végzik el, és megmenekülnek a ragadozójuk elől.

„Ezek a különös felépítésű lények egy nem túl stabil helyen, a vízfelszínen élnek” – mondta Saad Bhamla, a kutatás egyik résztvevője. „A vízfelszínről felugrásuk és visszaérkezésük megértéséhez mind a hidrodinamikai, mind az aerodinamikai hatásokat érintő ismereteinkre szükség van. A tanulmányunkban azt a célt tűztük ki, hogy feltárjuk, miként képesek szinte mindig talpra esni.” A kutatásról a PNAS folyóiratban számoltak be a szakemberek.

E sikeres manőverezéshez az ugróvillások testtartására és a speciális, ugrást szolgáló szervükre van szükség. Felugráskor az ugróvillájuk állásának szögét igazítják be, ugrás közben a levegőben a testükkel U alakot vesznek fel, amely aerodinamikai nyomatéka révén, mintegy 20 ezredmásodperccel az elugrást követően megfelelő állásba igazítja testüket.

Az ugróvillásoknak van egy különleges szervük is, amelyet kollofórának hívnak, e szerv a hasi oldalon található, és a pontos funkciója hosszú ideje viták tárgya. A szerv csőszerű, hidrofil és egy egészen apró cseppecske vizet tartalmaz, amelynek segítségével az állatka a vízfelszínhez tud tapadni. Most azonban kiderült: amikor leérkeznek az állatkák, a kollofórájukra esnek rá.

„Senki se igazolta eddig kísérletekkel, hogy mi célt szolgál a kollofóra, nekünk sikerült először kimutatni, hogy az állatok túléléséhez szükséges. Szükségük van rá a stabilitáshoz, már a felugráskor is, de még fontosabb szerepe van az akrobatikus, tökéletes leérkezés során.” – mondta Ortega-Jimenez.

A vizsgálatok és modellszámítások szerint a kollofóra mind a felszínen közlekedés, mind az ugrásból leérkezés során kulcsfontosságú, ahhoz van rá szükség, hogy azonnal stabilan landoljanak, s ne bucskázzanak leérkezéskor.

A nagy sebességű felvételek alapján a kutatók elkészítették azt a matematikai modellt, amely leírja az ugróvillás mozgásformáit, majd ezt számítógépes modellbe táplálták. A modellezés segítségével másodjára is beigazolódott az, amit az élő megfigyelésekből leszűrtek arról, hogy miként stabilizálja magát az ugróvillás, és mire használja a kollofóráját.

Az ugróvillások evolúciós sikeréhez alapvetően járultak hozzá azon tulajdonságai, amelyeket most feltártak a szakemberek. A sikert azonban még tovább lehet fokozni: a kutatók olyan robotot építettek, az ugróvillások tulajdonságai alapján, amellyel egy régi robotikai problémát sikerült megoldani. Az apró ugró robotok számára eddig igen nagy kihívás volt az, hogy a levegőben megfelelő állásba forduljanak a landoláshoz. A most elvégzett kutatás azonban utat nyithat azon robotok előtt, amelyekkel eddig bejáratlan helyeket lehet majd megismerni, így a vízfelszínt. Egy tesztrobot megépítése segítségével a kutatók – az ugróvillás nélkülözhetetlen szerveinek utánzásán át – sikeresen megoldották az ugrás-visszaérkezés problémáját. Az ugróvillások 85 százalékban sikeresen landolnak (a megfelelő testtartással, vagyis talpra esnek), a robotok esetében ez 75 százalékos siker.

A nagyobb termetű állatok közt a gekkók vagy a macskák közismerten jól korrigálják ugrás, esés közben a testtartásukat, most egy egészen kicsiny állatka, az ugróvillás is csatlakozott ehhez az akrobata társasághoz. Sőt, a kutatók szerint ez csak a jéghegy csúcsa: az aprócska élőlények különleges mechanikai tulajdonságainak megismerés csak most kezdődik.