Flexible Flügel machen Hummeln stärker

Dicke Hummeln mit ihren kurzen Flügeln können gar nicht fliegen – dieses Vorurteil haben Aerodynamiker längst widerlegt. Mehr noch, sie nehmen den Insektenflug als Vorbild für Flugmaschinen und Roboterflieger. Jetzt konnten Forscher im Experiment mit Hummeln eine Streitfrage unter Experten klären: Sollten Flügel für bessere Flugkraft biegsam sein, wie Computersimulationen vermuten lassen, oder eher steif, worauf Robotermodelle hinweisen? Das Experiment der Biologen, das sie in den „Proceedings of the Royal Society B“ beschreiben, zeigt eindeutig, dass Hummeln mit weniger flexiblen, künstlich versteiften Flügeln rund zehn Prozent weniger Auftrieb haben.

Hummel aus der Vogelperspektive, am Untergrund sitzend.
Hummel mit versteiften Flügeln

„Trotz der Forschung anhand von Berechnungen und Robotermodellen“, schreiben Andrew Mountcastle und Stacey Combes von der Harvard University, „wurden die aerodynamischen Auswirkungen flexibler Flügelverformung bei lebenden Insekten nie direkt getestet.“ Das holten die beiden Forscher mithilfe typischer nordamerikanischer Hummeln (Bombus impatiens) jetzt nach. Sie untersuchten zunächst das netzartige Flügelgerüst, über welches die feine Flugmembran gespannt ist: Bei Hummeln und einige andere Hautflüglern hat es Gelenk ähnliche Verbindungsstücke mit einem hohen Gehalt an Resilin – gummiartigem Eiweiß. Das ermöglicht ein besonders starkes Verbiegen der Flügel im Flug. Die Hummeln erreichen so eine fließendere Bewegung der Flügelfläche durch die Luft. Wird die zentrale dieser Biegestellen vorübergehend versteift, so bewegt sich der Flügel deutlich weniger geschmeidig.

Welche aerodynamischen Effekte dies hat, konnte das Team im Experiment nun genau nachweisen. Bei sieben Versuchshummeln überbrückten sie die zentrale Biegestelle auf beiden Flügeln mithilfe winziger Polyesterschienen, die die Flügel nur um rund fünf Prozent schwerer machten. Zuvor hatten sie die Tiere durch Kälte betäubt. Sieben andere Hummeln bekamen die gleiche Schiene auf eine unflexible Flügelstelle neben dem Resilingelenk gesetzt und drei weitere dienten unverändert als Vergleichstiere. Allen Hummeln wurde während der Kühlphase eine Schnur um die Körpermitte gebunden, die in regelmäßigen Abständen mit Kügelchen versehen waren. Je höher sie damit in die Luft steigen konnten, desto größer die Hubkraft durch die Flügel.

Tatsächlich senkte die Versteifung der zentralen Biegestelle im Flügel die Auftriebskraft in allen Versuchsdurchläufen um rund zehn Prozent im Vergleich zu den Kontrollgruppen. Zeitlupenvideobilder bestätigten, dass sich die Flügel mit Schiene andersartig verformen. Demnach ist die Flexibilität durch Biegestellen in der Flügelstruktur für einen effizienten Hummelflug sehr wichtig, so die Forscher. Sie liefern damit auch einen konkreten Verbesserungsansatz für die Konstrukteure kleiner und großer Flugmaschinen.