Ingenieure können von Bienen für optimale Wabendesigns lernen

Die perfekten sechseckigen Strukturen, inspiriert von Waben in Waben, werden häufig verwendet, um alles zu bauen, von Flugzeugflügeln, Booten und Autos bis hin zu Skiern, Snowboards, Wrappern und schalldämpfenden Materialien.

Herausforderungen entstehen, wenn Platzmangel oder Reparaturen Ingenieure zwingen, eine mechanisch starke Struktur beizubehalten, wenn sie industrielle Wabenplatten mit jeweils unterschiedlich großen Zellen miteinander verbinden. Hochleistungscomputer, die mit 3D-Druckern verwendet werden, könnten dieses Problem in Zukunft lösen, aber könnten Bienen eine effizientere und anpassungsfähigere Strategie bieten?

Eine neue Studie zeigt, dass sie es können. Wie sich herausstellt, sind Honigbienen geschickte Architekten, die vorausplanen und unregelmäßig geformte Zellen und eine Vielzahl von Winkeln schaffen, um gleichmäßige Rankgitter zu verbinden, wenn der Platz sie begrenzt.

Spezielle Bildgebung von natürlichen Waben und Computermodellen haben ergeben, dass Arbeiterbienen die Neigung, Größe und geometrischen Formen von Zellen ändern werden, um verschiedene Konstruktionsherausforderungen zu erfüllen, 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 Grundlagenstudie haben wir uns ein natürlich gewachsenes System angesehen, das ähnliche Probleme nahezu optimal löst“, sagte Kirstin Petersen, Assistenzprofessor für Elektro- und Informationstechnik an der Hochschule für Technik und Co-Autor des Artikels.

„Zu verstehen, wie die Evolution zu diesen architektonisch intelligenten Organismen führen kann, gibt uns Einblicke, wie man Strukturen bauen kann, die vielseitig, stark und resistent gegen verschiedene Umweltstörungen sind“, sagte Erstautor Michael L. Smith, Ph.D. ’17, Assistenzprofessor der biologischen Wissenschaften an der Auburn University, der diese Arbeit während seiner Zeit in Cornell begann.

Bienen bauen bekanntlich zwei Arten von sechseckigen Wabenzellen: die kleinen für die Aufzucht von Arbeiterinnen und die größeren für die Drohnenaufzucht, die männlichen Zuchtbienen. Eine Herausforderung – und eine gewisse Voraussicht – ergibt sich, wenn Bienen Netzwerke kleinerer Zellen mit größeren verbinden müssen, da die Geometrien keine nahtlose Anpassung zulassen. Ein Problem ist, dass Bienen ihre Zellen nicht umformen. „Was auch immer sie an einem Ort unternehmen, entscheidet tatsächlich, was später passiert“, sagte Petersen. Außerdem ist Wachs für Honigbienen das energieintensivste Material, sagte Smith.

„Wenn sie etwas aus Wachs bauen, sind sie so sparsam wie möglich“, sagt Smith, der auch assoziiertes Mitglied des Max-Planck-Instituts für Tierverhalten an der Universität Konstanz in Deutschland ist.

Aus diesem Grund verwenden Bienen andere Formen – Fünf- oder Siebenecke -, um perfekt sechseckige Drohnen- und Arbeiterpanels miteinander zu verbinden. Bienen bauen nicht nur Zellen unterschiedlicher Form, sondern bauen auch Zellen unregelmäßiger Größe und kombinieren manchmal sogar mehrere Arten unregelmäßiger Zellen. Die Autoren nennen diese unregelmäßigen Zellpaare und Tripletts „Muster“ und zeigen, dass bestimmte Kombinationen häufiger vorkommen als zufällig erwartet.

Manchmal wechseln Bienen vom Aufbau eines Zelltyps zu einem anderen, aber sie ändern diese schrittweise über mehrere Zellen hinweg, was darauf hindeutet, dass sie über die Zukunft nachdenken, sagte Petersen.

In der Studie richtete Smith 12 Feldvölker mit Rahmen ohne das übliche Wachs und Draht ein, damit Bienen ohne Führung natürliche Waben bauen konnten. Am Ende der Saison machten die Forscher speziell beleuchtete Bilder 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, ein Assistenzprofessor für Elektrotechnik und Computertechnik am College of Engineering, entwickelte ein theoretisches Computermodell, das es ihnen ermöglichte, Konfigurationen zu analysieren und die optimale Weise zu testen, wie sich Zellen unter den beengten Platzverhältnissen kontinuierlich zusammensetzen können. Sie verwendeten das Modell, um zu fragen, wie viel besser Bienen tun könnten. „Und es stellt sich heraus, dass es nicht viel besser ist“, sagte Petersen.

Vor über 200 Jahren schlug die Schweizer Entomologin Françoise Huber vor, dass Bienen Zwischenzellen verwenden könnten, um eine Wabe zu verschmelzen, aber ihr fehlten die modernen Werkzeuge, um Tausende von Zellen zu messen und ihre Idee zu validieren.

„Es waren wirklich diese Tools erforderlich, um dies auf rigorose Weise zu zeigen“, sagte Smith. “Also ist es keine Überraschung, dass das noch niemand gemacht hat.”

In zukünftigen Arbeiten könnten Forscher untersuchen, ob Waben auf mechanische Festigkeit optimiert sind und den Umfang des architektonischen Repertoires der Biene testen.

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