Wat heeft een mot te maken met high tech? Dat zit vooral in het uiterst gevoelige reukorgaan dat de mot heeft, bestaand uit twee antennes. Die stellen hem in staat, zich te oriënteren en een partner te vinden. Hoe kan het dat een minimum aan signaalmoleculen, feromonen, daarvoor al genoeg is? Onderzoekers van de Universiteit Twente hebben de vorm van de antennes onderzocht en ook de efficiëntie bij verschillende vliegsnelheden. Niet te snel vliegen, blijkt het devies. Het onderzoek kan als inspiratie dienen voor kunstmatige en gevoelige sensoren, stellen zij in hun paper in de Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
De twee kamvormige ‘antennes’ op de kop van een mot zijn zeer complexe en gevoelige reukorganen. De zichtbare zijtakken, rami, hebben elk nog weer haartjes die ook wel sensilla heten en ongeveer een diameter van 3 micrometer hebben. Zo ontstaat een dichte structuur waarin feromoonmoleculen uit de lucht worden opgevangen, de sensilla halen daaruit de chemische informatie die uiteindelijk de koers en het gedrag van de mot beïnvloeden. Wat kunnen we leren van de natuur, als we zelf gevoelige sensoren gaan ontwikkelen? De onderzoekers hebben daarvoor gekeken naar de vorm van de antenne en het effect van de snelheid van de lucht ten opzichte van de antenne. Uit het onderzoek blijkt dat de antennes vooral richtinggevend zijn voor de mot, als zijn snelheid binnen bepaalde grenzen ligt. Bij snelheden die lager of hoger zijn dan dit optimum, neemt de effectiviteit af.
Rami en sensilla, op grotere schaal nagebootst met de 3D-printer
Samia cynthia
Het onderzoek gaat vooral over de Samia cynthia, die ook wel hemelboomvlinder heet. De afmetingen van de antenne en de verschillende onderdelen zijn bepaald, en er is ook een 3D-geprint model gemaakt van een ramus met sensilla draden, voor experimenten bij verschillende lucht snelheden. Uit het onderzoek blijkt dat ‘leakiness’ een belangrijke rol speelt bij het succes van invangen van een molecuul: het deel van de lucht dat door de antenne en zijn microstructuur gaat, in verhouding tot wat er maximaal doorheen zou kunnen gaan. De luchtstroom wordt bepaald door de vliegsnelheid die tussen de 0,5 meter per seconde en 3 meter per seconde ligt. Wat blijkt? Een hoge snelheid leidt weliswaar tot meer luchtstroom door de antennestructuur, maar de feromonen bereiken de sensilla niet omdat ‘het laatste stukje’ overbrugd moet worden door diffusie. Daarvoor ontbreekt de tijd, als de feromonen door de antenne reizen. Langzamer vliegen is, om die reden, het beste.
Gevoelige tips
Eerder onderzoek liet zien dat de toppen van de sensilla het invangen nog versterken, samen een soort ‘lens’ voor reuk vormen. De onderzoekers hebben dit ook geconstateerd en schrijven het niet zozeer toe aan fysisch-chemische oppervlakteprocessen, maar aan de snelheid van het massatransport. De motvlinder leert ons op deze manier een lesje over het fabriceren van ‘arrays’ van kunstmatige sensoren, bijvoorbeeld in de vorm van trillende balkjes (cantilevers).
Het onderzoek is uitgevoerd in een samenwerking tussen Robotics and Mechatronics groep van de UT (prof Gijs Krijnen) en het Institut de Recherche sur la Biologie de l’Insecte van de Université de Tours.
Het paper ‘Insect pectinate antennae maximize odor capture efficiency at intermediate flight speeds’ door Mourad Jaffer-Bandjee, Thomas Steinmann, Gijs Krijnen en Jérôme Casas, staat nu in in de Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA op 29 oktober 2020.
