חוקרי הטכניון גילו כיצד פועל מנגנון הקפיצה של הנתוזית – החיפושית שמנתרת בלי להשתמש ברגליה

כאשר החיפושית שוכבת על גבה מופעל מנגנון נעילה המשמר את האנרגיה האלסטית שבגוף, ושחרורו של מנגנון זה מקפיץ את החיפושית באוויר, לגובה של כ-30 ס”מ

נתוזית – זהו שמה של חיפושית ייחודית, וליתר דיוק – משפחה של חיפושיות. שמן העברי של חיפושיות אלו, בדומה לכינויין האנגלי (click beetles), משקף את יכולת-הקפיצה הייחודית שלהן: מנגנון ניתור המאפשר להן לקפוץ באוויר בלי להשתמש ברגליהן. מנגנון זה מאפשר להן לחמוק מטורפים פוטנציאליים – או פשוט להתהפך במקרה שהן “תקועות” על גבן.

מנגנון זה נחקר בעבר, והמכניקה הבסיסית שלו ידועה: כאשר החיפושית שוכבת על גבה מופעל מנגנון נעילה המשמר את האנרגיה האלסטית שבגוף, ושחרורו של מנגנון זה מקפיץ את החיפושית באוויר, לגובה של כ-30 ס”מ.

עם זאת, רמת השליטה של הנתוזית בקפיצה לא היתה ברורה עד למחקר הנוכחי, שנערך על ידי ד”ר גל ריבק ופרופסור מחקר דניאל ויס מהטכניון.

ד”ר ריבק ופרופסור ויס, שחקרו גם את המגבלות הביו-מכניות של הקפיצה, גילו כי אף שהנתוזית שולטת בכמה אלמנטים בקפיצה, “זווית השיגור” שלה כמעט שאינה משתנה. שיגור בזווית זו – 80 מעלות בקירוב – מקצה את מרבית כוח הקפיצה (98% מכוח זה) לציר האנכי, כלומר להתגברות על כוח הכבידה.

על סמך שילוב בין תיאוריה (מודל פיזיקלי-מתמטי של פעולת הקפיצה) וניסוי (מעקב אחר קפיצותיהן של נתוזיות ממשיות) הסיקו החוקרים כי החיפושית שולטת במהירות השיגור – אבל לא בזווית הקפיצה.

“שאלת האנרגטיקה של הקפיצה משכה אותי במיוחד”, מסביר ד”ר ריבק. “מדובר בחרקים שמאיצים את הגוף כלפי מעלה בתאוצה עצומה – יותר מפי 300 מתאוצת הכבידה (התאוצה של נפילה חופשית) – ולא ברור מדוע דרושה אנרגיה רבה כל כך כדי לבצע פעולה פשוטה כמו התהפכות. במבט נוסף שמתי לב לסלטות שהחיפושיות מבצעות באוויר, ורציתי להבין באיזו מידה שולטת החיפושית עצמה באקרובטיקה האווירית הזו”.

נושא התנועה המבוקרת הוא עניין חשוב במערכות אוטונומיות (רובוטים עצמאיים). למשל, כלי רכב בלתי מאויש שמתהפך במהלך משימה. חשוב מאוד שרכב כזה יוכל להתהפך חזרה למצב פעולה גם בתנאי שטח קשים. תכנון כלי כזה הוא משימה מורכבת שדורשת חישה של הסביבה והתמצאות מרחבית.

“כפי שאנחנו לומדים מהנתוזית, האבולוציה מספקת לנו פתרון משלה לבעיה זו”, אומר ד”ר ריבק. “הקפיצה מצליחה להפוך את הנתוזית רק בכ-50% מהמקרים. במילים אחרות, סיכויי ההצלחה בכל קפיצה זהים לסיכויי הכישלון. לכן יתכן שיידרשו לחיפושית כמה קפיצות כדי לנחות, בסופו של דבר, על הרגליים. נכון שמהנדס שהיה מפתח מנגנון כזה לא היה מקבל הרבה מחמאות; אבל כפתרון אבולוציוני הוא מוכיח את עצמו, והפשטות של המנגנון הזה היא יתרון עצום”.

יתכן שבעקבות המחקר של ד”ר ריבק ופרופסור ויס, יהיה ניתן לתכנן כלי רכב זעיר שיידע להפוך את עצמו, או לתכנן גם כלי רכב זעירים שיידעו לקפוץ מעל מכשולים.

יישום אפשרי נוסף הוא מנגנון להיפוך חיישנים. “נניח שאנחנו מעוניינים לפזר בשטח מסוים חיישנים רבים”, מסביר ד”ר ריבק. “הדרך הכי הגיונית היא לזרוק אותם מהאוויר. עם זאת, ברור שחלק מהחיישנים יפלו על הקרקע כשהם הפוכים. באמצעות מִפרק המבוסס על מנגנון דומה לזה של הנתוזית אפשר לגרום לכך שהחיישן יקפוץ באוויר עד שייפול במנח הנכון”.

ד”ר גל ריבק הוא ביולוג החוקר את האקו-פיזיולוגיה של שחייה ותעופה בטבע, תוך התמקדות בפתרונות טבעיים, אבולוציוניים, לבעיות הנדסיות. “הטבע מספק לנו פתרונות פשוטים יחסית בבעיות הנדסיות רבות, שנראות לנו מסובכות מאוד,” הוא מסביר.

המחקר הנוכחי הוא חלק מן הפוסט-דוקטורט של ד”ר ריבק, במסגרת תוכנית הטכניונית למערכות אוטונומיות ובהנחיית פרופסור מחקר דני ויס מהפקולטה לאווירונוטיקה וחלל.

בעבודת הדוקטורט שלו (בטכניון, בהנחית פרופסור זאב ארד מהפקולטה לביולוגיה ופרופסור דני ויס) הוא חקר את מנגנון הצלילה של ציפורים כגון קורמורנים, באמצעות מודל תיאורטי וניתוח ממוחשב של צילומי וידיאו תת-מימיים. ד”ר ריבק הראה כי הציפורים הצוללות מסתייעות ב”כוח עילוי שלילי”, המתנגד לכוח הציפה ומאפשר להן להישאר מתחת לפני המים, כפי שכוח עילוי “רגיל” (חיובי) מתנגד לכוח הכבידה וכך מאפשר למטוסים לטוס באוויר.

לידיעה באתר הטכניון, לרבות סדרת התמונות במלואה