עלייתם של מזלטי החרקים

הטבע בילה מיליוני שנים בשיפור התעופה באמצעות הכנפיים המתנופפות. עכשיו משחזרים אותה המהנדסים במכונות

לפני חמש שנים, ישבו ריצ'ארד גווילר וטום וואנק בבר, כמה רחובות מהמשרד שלהם, וניסו לנקות את מוחם מהעבודה. במשך כמעט שנה עמלו שני המהנדסים בפיתוח מזל"ט עמיד שיוכל להתחמק מחפצים, לנווט בתוך בניינים ולעוף במזג אוויר סוער. הם ניסו דגמי כנף קבועה, אבל כשהוסיפו את החיישנים הדרושים כדי לזהות מכשולים בצורה יעילה הם הפכו אותם לכבדים מדיי לטיסה. הם ניסו מסוקים, אבל הרוטורים כל הזמן הסתבכו בענפים ובחוטי חשמל. הם אפילו בנו בלון ממונע; אבל כל משב רוח קל הסיט אותו ממסלולו. 

בעודם יושבים ואוחזים את כוסות הבירה שלהם בידיהם, התבוננו השניים בזבוב שהתנגש בחלון. במקום להתפרק לחתיכות עם הפגיעה כפי שעשו המזל"טים שלהם, החרק קיפץ מהחלון והתאושש. אז הוא עשה זאת שוב. 

"זו הייתה הארה", אומר וואנק, שעובד בחברת המחקר והפיתוח Physical Sciences Inc. (ר"ת PSI) במסצ'וסטס. "הבנו שאם נוכל לייצר מערכת, מעשה ידי אדם, שתוכל להתנגש בדברים, להתאושש ולהמשיך הלאה, ניצור מהפיכה". 

הרעיון לקחת בהשאלה עיצובים מהטבע הוא רחוק מחדש, בעיקר כשמדובר בתעופה. היוונים העתיקים חלמו על דדלוס, שעיצב כנפיים עבור בנו (שלמרבה הצער עבדו טוב מדיי). ליאונרדו דה וינצ'י שרטט אורניתופטר מונע אדם. אבל עד לאחרונה, היה חסר לממציאים הידע האווירודינמי הדרוש כדי להפוך תרשימים לגרסאות מכניות של חרקים כמו הזבוב או הדבורה. עם ההתפתחות  הטכנולוגית, הצליחו החוקרים לפענח רבים מהסודות של הטבע. מהנדסים פיתחו את הכלים המעופפים הראשונים בהשראת חרקים, ופתחו את הדלת לזן חדש לחלוטין של מכונה: המיקרו-מל"ט. 

על אף שהחרקים וקרובי משפחתם מייצגים כ-80 אחוז ממיני בעלי החיים בעולם - כ-900,000 מינים מוכרים - מכניקת התעופה שלהם הייתה חידה למשך זמן רב. כלי טיס מסורתיים עם כנף קבועה מסתמכים על זרימת אוויר קבועה מעל הכנפיים. הדבר נכון גם לגבי מסוקים ורוטורים. אבל בעוד חרקים מנופפים בכנפיהם הלוך ושוב, האוויר סביבם משתנה כל הזמן. והכנפיים הקצרות והעבות של דבורים וחרקים אחרים מרימות משקל רב יותר ממה שניתן להסביר באמצעות עקרונות קונבנציונליים של אווירדינמיקה במצב יציב. 

לפני שהמדענים הבינו את תעופת ניפנוף הכנפיים, הם היו צריכים לראות אותה על פרטיה הזעירים ביותר. בשנות ה-70, השתמש טורקל ווייס-פוך, זואולוג דני באוניברסיטת קיימברידג', בצילום במהירות גבוהה כדי לנתח את תנועות הכנף המדוייקות של חרקים מרחפים, וכדי להשוות אותן למאפיינים המורפולוגיים של החרקים. מהניתוח, הוא ניסח תאוריה כללית של תעופת חרקים, אשר כללה את מה שהוא כינה "אפקט המחיאה וזריקה". כשכנפי חרקים נמחאות יחד ואז מורחקות זו מזו בין נפנופים למעלה ולמטה, התנועה מעיפה אוויר ויוצרת כיס לחץ נמוך. האוויר זורם במהירות חזרה אל תוך הכיס, ויוצר מערבולת מסתחררת. המערבולת הזאת יוצרת את הכוח הדרוש להרים את החרק בין נפנופי הכנפיים. מערבולות דומות עשויות להיווצר על ידי הזווית והסיבוב של הכנפיים, טען ווייס-פוך, ולספק כוח עילוי נוסף. 

שני עשורים לאחר מכן הדביקו טכניקות מחשוב את קצב התאוריה, ומדענים התחילו ליישם את העקרונות האלה על מערכות מעשה ידי אדם. צ'ארלס אלינגטון, זואולוג מאוניברסיטת קיימברידג' ותלמיד בעבר של ווייס-פוך, בנה כנף רובוטית שיכלה לחקות בצורה מדוייקת את התנועות של עש רפרף. הוא מיקם אותה במנהרת רוח מלאה בעשן כך שכשהכנף נעה, הוא יכול היה לנתח את דינמיקת התנועה. באוניברסיטת קליפורניה בברקלי, בנה מדען המוח מייקל דיקינסון כנף רובוטית של זבוב פירות, שחיקתה את תנועת כנפיו הטבעית של הזבוב, והטביע אותה במכל שני טון של שמן תעשייתי. בעבודה עצמאית, איפיינו החוקרים את האווירודינמיקה של התעופה ברמת דיוק חסרת תקדים. 

עד שווד סיים את לימודיו ב-2004 ופתח מעבדה משלו באוניברסיטת הרווארד, הוא סייע ליצור דרך להשתמש בחומרים אקזוטיים בעלי יעילות אנרגטית גבוהה ביותר כדי לשחזר את תנועת כנפי זבוב; הוא בנה ג'יירוסקופ שיכל לחקות את החיישנים בהם משתמשים החרקים כדי לזהות סיבוב גוף; והוא המציא שיטות לייצור מערכות מורכבות בקנה מידה מיניאטורי. מה שנותר היה לעשות הוא להרכיב את הכל יחד למכונה מעופפת שעובדת, בגודל של חרק.