Physiologie und Aerodynamik des Manövrierflugs in Drosophila

• Applicant: Professor Dr. Fritz-Olaf Lehmann
• Subject Area: Fluid Mechanics ; Animal Physiology and Biochemistry
• Term: from 2007 to 2010
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 44171693

• Final Report Year: 2014

Final Report Abstract

Die durchgeführten Arbeiten haben die gesetzten Ziele umfassend erreicht. Für eine strömungsmechanische Analyse induzierter Luftströmungen von fliegenden Insekten wurde ein experimentelles System entwickelt, dass mittels zeitaufgelöster Strömungsmessung (Digitale Particle Image Velocimetry, DPIV) die Wirbelinduktion im Steuerverhalten einer Taufliege analysiert. Die Quantifizierung des Strömungsfelds zeigt, dass eine zeitliche Asynchronität in der Schlagbewegung zwischen beiden Flügeln von wenigen Mikrosekunden (70 Mikrosekunden), die Wirbelstrukturen an den Flügeln im dorsalen Schlagumkehrpunkt signifikant verändert. Es wurde überdies ein neuer Mechanismus des Energierecyclings durch Wirbeldestruktion entdeckt, welcher die energetische Leistung im Flug reduziert und den geringen aerodynamischen Wirkungsgrad des Tiers verbessert. Wirkungsgrade wurden überdies experimentell in robotischen Tandemflügeln abgeschätzt. Die Daten zeigen, dass die Phasenlage der Flügelschlagbewegung Einfluss auf die Kontraktion des Strömungsfelds hat und Flugkosten durch Wiederaufnahme und Fusion von Wirbeln aus dem Strömungsfeld reduziert werden. Die Entwicklung bildgebender Verfahren mittels "Cameleon" FRET-Fluoreszenz in fliegenden Taufliegen hat es überdies ermöglicht, die Änderungen der intrazellulären Kalziumkonzentration im Flugmuskel der Taufliege zu quantifizieren. Im Gegensatz zu früheren Vermutungen, wird den Experimenten zufolge die kalziumkontrollierte Ausgangsleistung der Muskulatur linear und exakt an die Leistungsanforderungen im Flug des Tiers angeglichen. Die bilaterale Verteilung (1-2% deltaFRET) der Leistung der Gesamtflugmuskulatur erfolgt dabei entsprechend der Strömungswiderstände an den schlagenden Flügeln.

Publications

• (2008) Phasing of dragonfly wings can improve aerodynamic efficiency by removing swirl. J. R. Soc. Interface
  Usherwood, J.R. and Lehmann, F.-O.
  
• (2008). Experiments on fly wing structure for biomimetic robotic flying insect design. AIAA 1835, 1-13
  Ganguli, R., Gorb, S. and Lehmann, F.-O.
  
• (2008). Locomotor force control by wake-wing interference in insect wings. In Handbook of Insect Mimetics: Learning from Insect Design. Ed. T. Yamaguchi. NTS Book chapter 4: Controllers
  Lehmann, F.-O.
  
• (2008). The free-flight response of Drosophila to motion of the visual environment. J. Exp. Biol. 211, 2028-2045
  Mronz, M. and F.-O. Lehmann
  
• (2008). When wings touch wakes: understanding locomotor force control by wake–wing interference in insect wings. J. Exp. Biol. 211, 224-233
  Lehmann, F.-O.
  
• (2008). Wing wake interaction reduces power consumption in insect tandem wings. Exp. Fluids
  Lehmann, F.-O.
  
• (2009) Visual motion sensing and flight path control in flies. In Sensors and Sensing in Biology and Engineering. Eds. F. Barth, P. Humphrey, M. Srinivasan. Springer Berlin Heidelberg
  Lehmann, F.-O., Schützner P. and H. Wang
  
• (2009). Stereoscopic PIV on multiple color-coded light sheets and its application to axial flow in flapping robotic insect wings. Exp. Fluids, 47 (6), 1009- 1023
  Pick, S. and Lehmann, F.-O.
  
• (2009). The respiratory basis of locomotion in Drosophila. J. Insect Physiol., 56(5):543-50
  Lehmann, F.-O. and Schützner, P.
  
• (2009). The role of experience in flight behaviour of Drosophila. J. Exp. Biol. 212, 3377-3396
  Hesselberg, T. and Lehmann, F.-O.
  
• (2009). Vortex traveling and flight efficiency in hovering dragonflies. Exp. Fluids 46(5), 765-775
  Lehmann, F.-O.
  
• (2009). Vortex traveling and flight efficiency in hovering dragonflies. In Animal Locomotion: Hydrodynamics of Swimming and Physics of Flying. Eds G. Taylor, M. Triantafyllou, C. Tropea. Springer Berlin Heidelberg
  Lehmann, F.-O.
  
• (2010). An experimental and numerical study of Calliphora wing structure. Exp. Mechanics 50, 1183- 1197
  Ganguli, R., Gorb, S., Lehmann, F.-O., Mukherjee, S. and Mukherjee, S.
  
• (2010). Locomotor performance in the Drosophila brain mutant drop-dead. Comp. Biochem. Physiol. A, 156(3):337-43
  Lehmann, F.-O. and V. Cierotzki
  
• (2010). The limits of turning control. In: Flying insects and robots. Eds D. Floreano, J.-C. Zufferey, M.V. Srinivasan, C. Ellington. 231-246, Springer
  Lehmann, F.-O.
  
• (2011). Elastic deformation and energy loss of flapping fly wings. J. Exp. Biol. 214, 2949-2961
  Lehmann, F.-O., Gorb, S., Nasir, N., and Schützner, P.
  
• (2011). Experimental quantification and numerical simulation of unsteady flow conditions. In: Nature-inspired Fluid Dynamics. Vol. 119, 81-99. Springer Berlin Heidelberg, ISBN 978-3-642-28301-7
  Shishin, A., Schützner, P., Wagner, C. and Lehmann, F.-O.
  
• (2011). Wake structure and vortex development in flight of fruit flies using high speed particle image velocimetry. In: Nature-inspired Fluid Dynamics. Springer Berlin Heidelberg
  Lehmann, F.-O.
  
• (2013). Calcium signaling indicates bilateral power balancing in the Drosophila flight muscle during turning behavior. J. R. Soc. Interface 10(82), 20121050
  Lehmann, F.-O., Skandalis, D., Berthé, R.
  
• (2014). Flight behavior: Degradation of flight muscle power and locomotor capacity in transgenic Drosophila. Chapter 6, S. 77-87, in: J. Dubnau, Behavioral Genetics of the Fly (Drosophila Melanogaster), Cambridge University Press
  Lehmann, F.-O.