Libelle, Biene und Co sausen mit erstaunlich leistungsstarker „Leichtbau-Technik“ durch die Luft: Ihre Flügel machen meist gerade einmal zwei Prozent der Gesamtmasse der Insekten aus und dennoch sind die filigranen Gebilde schwer belastbar: Neben den erheblichen aerodynamischen Beanspruchungen halten sie auch teils heftigen Stößen stand. Ohne größeren Schaden überstehen sie so etwa die häufigen Kollisionen mit Hindernissen wie Blüten, Blättern oder Ästen. Solche Leistungskombinationen in Verbindung mit hoher Ausdauer kann die menschliche Technik bisher kaum gewährleisten. Doch wie können sie die Insektenflügel hervorbringen? Mit dieser Frage beschäftigt sich die Arbeitsgruppe „Funktionelle Morphologie und Biomechanik“ an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel. In ihrem Fokus stehen dabei die vergleichsweise großen Flügel der Libellen.
Wie die Wissenschaftler erklären, können technische Konstruktionen in der Regel nur eine Eigenschaft effizient gewährleisten: Entweder sie halten große Traglasten aus, wie stabil tragende Bauteile in Gebäuden, oder aber sie sind durch ihre Flexibilität besonders resistent gegenüber Brüchen bei Kollisionen. Ließen sich beide Merkmale besser kombinieren, könnten effizientere technische Strukturen entwickelt werden, die ihre Formbarkeit den jeweiligen Anforderungen anpassen können. Bisherige Ansätze dazu sind jedoch oft kompliziert und kostenintensiv und eignen sich so kaum für einen breiten Einsatz, sagen die Wissenschaftler.
Raffinierte Biomechanik
„Was die ingenieurwissenschaftliche Forschung zurzeit noch beschäftigt, haben Insekten schon lange perfektioniert“, sagt Co-Autor Stanislav Gorb. In der aktuellen Studie zeigen er und seine Kollegen nun die Besonderheiten in der Flügelstruktur der Insekten auf, die der interessanten Merkmalskombination zugrunde liegen. Wie sie berichten, bilden drei Elemente in der Flügelstruktur und ihre Kombination die Basis dafür: flexible Gelenke, mechanische Stopper und „Abknickbereiche“. „Dank dieses besonderen Aufbaus können die Insektenflügel verschiedene Flexibilitätsgrade einnehmen, je nachdem, was die jeweilige Situation erfordert“, sagt Gorb.
Wie die Forscher erklären, bestehen Insektenflügel aus Adern, zwischen denen eine Membran gespannt ist. Dabei verbinden Mikrogelenke die einzelnen Adern und ermöglichen so, dass sich die Flügel unter geringer Last verbiegen können. Diese Elemente gewährleisten auch eine Dauerbelastbarkeit der Struktur, erklären die Forscher. Bei stärkerer Beanspruchung wird die Bewegung dann allerdings von mikroskopisch kleinen Stacheln gestoppt, die an den Mikrogelenken sitzen. Diese „Stopper“ stützen die Flügel gegen starke Belastung, erklären die Forscher. Nummer drei der strukturellen Elemente bilden dann spezielle Bereiche im Flügel, die bei den Kollisionen
