Ingenieure können Bienen für optimale Wabendesigns lernen

Perfekte sechseckige Strukturen, inspiriert von Bienenwaben in Bienenstöcken, werden häufig verwendet, um alles zu bauen, von Flugzeugflügeln, Booten und Autos bis hin zu Skiern, Snowboards, Verpackungen und akustischen Dämpfungsmaterialien.

Herausforderungen entstehen, wenn Platzmangel oder Reparaturen von Ingenieuren verlangen, eine Struktur mechanisch zu halten, wenn industrielle Wabenplatten mit verschiedenen Zellen unterschiedlicher Größe verbunden werden. Hochleistungscomputer mit 3D-Druckern könnten dieses Problem in Zukunft lösen, aber können Bienen eine effizientere und anpassungsfähigere Strategie bieten?

Eine neue Studie zeigt, dass sie es können. Es scheint, dass Honigbienen geschickte Architekten sind, die vorausplanen und Zellen mit unregelmäßigen Formen und einer Vielzahl von Winkeln schaffen, um einheitliche Balken miteinander zu verbinden, wenn der begrenzte Platz sie begrenzt.

Spezielle Bildgebung von natürlichen Waben und Computermodellen haben ergeben, dass die Bienen der Arbeiter die Neigung, Größe und geometrischen Formen der Zellen ändern, um verschiedene Herausforderungen im Gebäude zu bewältigen, so der Artikel „Imperfect Comb Construction Reveals the Architectural Abilities of Honey Bees“. “, veröffentlicht am 26. Juli in den Proceedings of the National Academy of Sciences.

„In dieser grundlegenden Studie haben wir uns ein System angesehen, das sich natürlich entwickelt und ähnliche Herausforderungen nahezu optimal löst“, sagte er. Kirstin Petersen, Assistenzprofessor für Elektrotechnik und Computertechnik am College of Engineering und Co-Autor des Artikels.

„Das Verständnis, wie die Evolution mit architektonischen Tricks zu diesen Organismen führen kann, gibt uns Einblicke, wie man Strukturen bauen kann, die vielseitig, stark und widerstandsfähig gegen verschiedene Umweltstörungen sind“, sagte der Erstautor Michael L. Smith, Ph.D. . ’17, Assistenzprofessor für biologische Wissenschaften an der Auburn University, der diese Arbeit in Cornell begann.

Bienen bauen bekanntlich zwei Arten von sechseckigen Wabenzellen: kleine für die Aufzucht von Arbeiterbienen und größere für die Aufzucht von Drohnen, den männlichen Fortpflanzungsbienen. Eine Herausforderung – und ein bisschen Weitsicht – ergibt sich, wenn die Bienen Gitter aus kleineren Zellen mit den größeren verbinden müssen, weil die Geometrien nicht glatt passen. Ein Problem ist, dass Bienen ihre Zellen nicht reparieren. „Was immer an einem Ort getan wird, entscheidet darüber, was später passiert“, sagte Petersen. Für Honigbienen sei auch das teuerste Material, sagte Smith.

„Wenn sie etwas aufbauen, sind sie so sparsam wie möglich“, sagte Smith. Er ist außerdem Mitglied des Max-Planck-Instituts für Tierverhalten an der Universität Konstanz in Deutschland.

Infolgedessen verwenden die Bienen andere Formen – Fünf- oder Siebenecke -, um Paneele aus perfekt sechseckigen Drohnen und Arbeiterzellen zu verbinden. Neben dem Bau von Zellen unterschiedlicher Form bauen die Bienen auch Zellen von unregelmäßiger Größe und manchmal kombinieren sie auch mehrere Arten von unregelmäßigen Zellen. Die Autoren bezeichnen diese Paare und Tripletts unregelmäßiger Zellen als „Motive“ und zeigen, dass bestimmte Kombinationen häufiger vorkommen, als zufällig erwartet wurde.

Manchmal wechseln die Bienen von einem Zelltyp zum anderen, aber dies ändert sich allmählich über mehrere Zellen hinweg, was darauf hindeutet, dass sie vorausdenken, sagte Petersen.

In der Studie errichtete Smith 12 Kolonien auf dem Feld mit üblichen Rahmen und ohne Draht, damit die Bienen ohne Führung natürliche Waben bauen konnten. Am Ende der Saison machten die Forscher spezielle beleuchtete Fotos und schrieben dann eine benutzerdefinierte Software, um die Scheitelpunkte, Winkel, Größen und Geometrien von Tausenden von Zellen automatisch zu identifizieren, zu sortieren und zu messen. Mitverfasser Nils Napp, Assistenzprofessor für Elektrotechnik und Computertechnik am College of Engineering, entwickelte ein theoretisches Computermodell, das es ihnen ermöglichte, Konfigurationen zu analysieren und optimale Möglichkeiten zu testen, wie Zellen kontinuierlich unter Platzbeschränkungen passen. Sie nutzten das Modell, um zu fragen, wie viel besser die Bienen können. „Und es scheint nicht viel besser zu sein“, sagte Petersen.

Vor mehr als 200 Jahren schlug die Schweizer Entomologin Francoise Huber vor, dass Bienen Zwischenzellen verwenden könnten, um eine Wabe zu verschmelzen, aber er hatte nicht die modernen Werkzeuge, um Tausende von Zellen zu messen und seine Idee zu validieren.

„Es braucht wirklich diese Werkzeuge, um es streng zu zeigen“, sagte Smith. „Deshalb ist es nicht verwunderlich, dass es noch niemand getan hat.“

In zukünftigen Arbeiten können die Forscher untersuchen, ob Waben für die mechanische Festigkeit und den Umfang des architektonischen Repertoires des Bienentests geeignet sind.

Die Studie wurde von der Simons Foundation, dem National Science Foundation, der Deutschen Forschungsgemeinschaft, einem Packard Fellowship for Science and Engineering und GETTYLABS finanziert.