Wetenschappers van het Massachusetts
Institute of Technology (MIT) hebben doorgrond hoe het
kleine schaatsenrijdertje (Gerris remigis) over
water kan lopen. Ze maakten meteen een robot die het ook
kan: de robostrider. Ook wat grotere dieren,
zoals de basilisk- of Jezushagedis, kunnen over water
lopen. Zal het de mens ooit lukken?
Het is fascinerend en jaloersmakend, de aanblik van
een fragiel insect dat schijnbaar moeiteloos over het
stille water van een bosmeertje glijdt. Lopen over water
is, net als vliegen, een stille wens van de mens, al
zolang we bestaan. Vliegen kunnen we inmiddels, maar met
het lopen over water wil het nog niet zo lukken.
Misschien moeten we nog even geduld hebben.
Wetenschappers van het Massachusetts Institute of
Technology (MIT) uit Boston (VS) publiceerden in het
tijdschrift Nature van 7 augustus het ontwerp van een
heuse waterlopende robot. Robostrider noemden ze
hem, vernoemd naar het insectje Waterstrider dat
in goed Nederlands het schaatsenrijdertje heet.
De negen
centimeter lange Robostrider is ontworpen en gebouwd
door promovendus Brian Chan. Hij maakte het lijf uit een
aluminium frisdrankblikje, gebruikte roestvrij stalen
draden voor de benen en dreef die aan met een elastiekje
opgewonden op een katrolletje. Het mechanische beestje,
licht genoeg om op het wateroppervlak te blijven, gaat
met schokkerige bewegingen vooruit. Minder gracieus en
effectief als zijn biologische voorbeeld, maar wel
volgens dezelfde principes.
foto MIT
Klik
op de afbeelding voor een grotere versie
Natuurkundige verklaring
De principes van
het 'schaatsenrijden', daar was het de onderzoekers om
te doen. Chan maakt deel uit van een team bij de
onderzoeksgroep voor vloeistofdynamica onder leiding van
wiskundehoogleraar John Bush. Samen met
collega-promovendus David Hu bestudeerde hij het
loopgedrag van het schaatsenrijdertje. De in Nature van
7 augustus gepubliceerde MIT studie geeft voor het eerst
een gedetailleerde natuurkundige verklaring voor het
waterlopen van de kleine aquatische insecten.
Natuurlijk was er al eerder onderzoek verricht aan
het intrigerende fenomeen. Opnamen met
hogesnelheidscamera's hadden al aan het licht gebracht
dat schaatsenrijders die op hun prooi afschieten
versnellingen ondergingen die ruim tien maal groter
waren dan de versnelling van de zwaartekracht. Dat is te
vergelijken met het afvuren van een luchtafweerraket.
Schaatsenrijders schieten echter niet door de lucht,
maar rennen over het water.
foto
MIT
Intermezzo:
De
Wantsen
Het
schaatsenrijdertje is een roof-insect dat tot de familie
van de wantsen behoort. Dat zijn niet bepaald de
aantrekkelijkste insekten. Veel plantenzuigende soorten
vormen een plaag voor de land- en tuinbouw.
Bloedzuigende wantsen kunnen het mens en dier erg lastig
maken. Berucht is de wandluis of bedwants, die 's nachts
zijn hinderlijke steken toebrengt. In sommige delen van
Zuid-Amerika leven wantsen die via hun steek een
gevaarlijke ziekteverwekker overbrengen. De 'ziekte van
Chagas' die op die manier wordt verspreid, eist
jaarlijks tienduizenden slachtoffers.
Van de negen
soorten schaatsenrijders (Gerridae)die in
Nederland voorkomen, bereikt de grootste een lengte van
17 millimeter. Net als alle andere wantsen hebben ze een
'snavel'. Daarin zijn vier tot stiletten omgevormde
kaken opgeborgen. Twee daarvan vormen kanalen. Een dient
voor het inspuiten van verteringssappen. De andere voor
het opzuigen van het voedsel. De overige twee worden
gebruikt als zaag om bij de steek de weg vrij te maken.
De prooi bestaat uit te water geraakte vliegjes en
andere insekten. Die worden besprongen en vervolgens
leeggezogen. Met die 'sprong' en hun verdere manier van
voortbewegen vormen deze dieren een waar studieobject
voor natuurkundigen.
Oppervlaktespanning
Een insekt dat zo snel
kan lopen over water? Is een schaatsenrijder dan soms
lichter dan die vloeistof? Wie een schaatsenrijder van
dichtbij bekijkt, ziet meteen dat hij meer moet wegen.
De pootjes drukken kuiltjes in het wateroppervlak. Die
schijnbare overwinning van de zwaartekracht komt door de
oppervlaktespanning.
Oppervlaktespanning ontstaat
omdat watermoleculen elkaar sterk aantrekken. Deze
cohesiekrachten verhinderen dat de moleculen kunnen
'ontsnappen'. In het water zelf zijn de cohesiekrachten
van alle kanten even sterk. Maar aan het grensvlak met
de lucht ontbreken bovenliggende watermoleculen. Zo
worden de moleculen aan het oppervlak naar 'binnen'
getrokken. De kracht die langs het oppervlak het
uiteengaan van de grensvlakmoleculen tegenwerkt,
resulteert in de oppervlaktespanning die er . voor zorgt
dat het wateroppervlak zich als een gespannen vlies
gedraagt.
Door de oppervlaktespanning is het wateroppervlak
voor kleine dieren een vloer om op te lopen. De 'voeten'
van de schaatsenrijder bevatten dicht op elkaar
geplaatste, waterafstotende haartjes die kleine
luchtbelletjes vasthouden en zo voor nog meer
drijfvermogen zorgen.
foto
MIT
Intermezzo
2:
Oppervlaktespanning
Wie de invloed van de oppervlaktespanning wil
'zien', hoeft maar een U-vormig beugeltje in een
zeepoplossing onder te dompelen. Leg loodrecht op de
twee benen van de U een staafje, en haal het geheel uit
de zeepoplossing omhoog. Na het verwijderen van beugel
en staafje uit de vloeistof, wordt het staafje naar de
gesloten zijde van de U getrokken. Er vormt zich een
zeepvliesje tussen het staafje en de beugel en dat
tracht zich ook tot een zo klein mogelijk oppervlak
samen te trekken. Voor verschillende vloeistoffen gelden
verschillende oppervlaktespanningen. Voor een
zeepoplossing is die 0,03 (newton per meter) en voor
zuiver water 0,07.
De oppervlaktespanning van water
is zo groot dat zelfs een stalen naald erop kan blijven
drijven. Meestal wordt dat proefje zo uitgevoerd dat
eerst een stukje vloeipapier op het wateroppervlak wordt
gelegd om de naald te ondersteunen. Het vloeipapier
zuigt langzaam het water op en zakt naar beneden,
terwijl de naald blijft drijven. Een deel van het
drijfvermogen is afkomstig van de verplaatsing van de
vloeistof. De naald veroorzaakt rondom een indeuking in
het water en ondervindt daardoor een opwaartse kracht
die gelijk is aan de verplaatste vloeistof (wet van
Archimedes). De rest van het drijfvermogen komt van de
spanning langs het gekromde oppervlak van het
deukje.
Roeien
Duidelijk is dus dat een
schaatsenrijdertje op het water kan staan. Maar
lopen, hoe gaat dat dan? Daar waren de
deskundigen niet helemaal uit. Wel was duidelijk dat de
beestjes een soort roeibeweging uitvoeren met de
middelste twee van hun zes poten. De voorste twee poten
worden opgeheven, de achterste twee dienen als 'roer' en
de twee roeipoten zorgen voor de voorstuwing. Maar daar
kwamen de onzekerheden. Want waar zetten die roeipoten
zich precies tegen af?
De meest acceptabele verklaring was altijd dat ze een
rimpeling in het gladde vlies van het wateroppervlak
teweeg brachten en dat de schaatsenrijder dan volgens de
derde wet van Newton (actie is min reactie)
vooruitbewoog. Toch kon dat niet helemaal kloppen.
Berekeningen toonden aan dat de roeipoten met een
snelheid van minstens 25 centimeter moesten bewegen om
het insect de impuls te geven die in de waargenomen
voortbeweging resulteert. Bij volwassen beestjes bleek
dat inderdaad het geval. Maar kleine schaatsenrijdertjes
scheren bijna even snel over het water terwijl hun
korte,veel tragere pootjes bij lange na niet de
benodigde impuls kunnen opwekken.
Deze onvolkomenheid in de verklaring werd in 1993
beschreven door de Amerikaanse biomechanicus Mark Denny
en staat sindsdien bekend als Denny's Paradox. Nu, na
tien jaar, laten de MIT onderzoekers zien dat het
allemaal net even anders ligt. Daarbij gebruikten ze een
even eenvoudige als doeltreffende techniek, waarbij het
insectje met hogesnelheidscamera's (500 beelden per
seconde) in beeld wordt gebracht terwijl het over een
laagje met thymolblauw gekleurd water loopt.
De prachtige plaatjes leverden het verrassende
inzicht dat de voorstuwing van de schaatsenrijder niet
te danken is aan rimpelingen in het watervlies aan de
oppervlakte, maar aan wervelingen dieper in het water.
Deze onderwaterwervels zijn te vergelijken de kleine
draaikolkjes die bij het varen van een roeiboot achter
de bladen van een roeispaan ontstaan. Het verschil is
wel dat de roeispaan in het water steekt terwijl de
pootjes van het schaatsenrijdertje het water alleen
indrukken.
Eenvoudige hydrodynamische berekeningen lieten zien
dat de diepe wervelingen het insect een veel grotere
impuls kunnen geven dan de oppervlakterimpelingen. Dat
betekent dat ook de korte, langzame pootjes van de
kindertjes in voldoende snelheid resulteren. Daarmee was
de paradox van Denny uit de wereld.
De wervelingen die
een schaatsenrijder opwekt zijn zichtbaar te maken met
water waarop een laagje thymolblauw is gebracht. foto
MIT
Meer waterlopers
Er zijn nog wel meer
dieren die zich over het grensvlak tussen water en lucht
voortbewegen. In ons land komen ook vijverlopers
(Hydrometridae) voor die langzaam over het
wateroppervlak lopen en prooien spiezen die op het
wateropervlak drijven of naar boven komen om adem te
halen. Beeklopers (Veliidae) lopen ook op het water
rond, maar duiken ook onder de waterspiegel.
Springstaarten (Poduridae) huppelen als kangeroes over
het wateroppervlak. Roofkevers van het geslacht
Stenus kunnen over het water schieten door een
substantie af te scheiden die de oppervlaktespanning
achter hem verlaagt, zodat de kever voorwaarts schiet
door de hogere oppervlaktespanning van het water.
Tenslotte zijn er nog de draaikevertjes of schrijvertjes
(Gyridinae) die ook insekten eten die in het
oppervlaktevlies blijven plakken. Zij zijn vooral nu in
de nazomer actief.
Een van de meest spectaculaire waterlopers is de
basiliskhagedis. Dit beestje gebruikt zijn achterpoten
om over het water te rennen op jacht naar prooi of om
zelf aan achtervolgers te ontkomen. De jongeren lijken
er haast overheen te vliegen, de oudere, zwaardere
dieren weten zich in continue worsteling aan het water
te ontrukken. Deze bijzondere hagedis kreeg vanwege zijn
aquatisch loopvermogen de bijnaam 'Jezushagedis'
(Jezus Christ Lizard). Als de mens ooit zou
willen lopen, zou hij het van dit wonderbaarlijke
beestje moeten afkijken.
De basilisk
hagedis
Kan de mens dit ook?
In 1996 beschreven de
onderzoekers Glasheen en McMahon in het tijdschrift
Nature hoe ze hun videocamera op waterlopende
basiliskhagedissen richtten om hun loopgedrag te
analyseren. Ze kwamen tot een hydrodynamisch model met
drie fasen: klap, slag en optrek (slap, stroke,
protraction ). Tijdens de klap op het water
verkrijgt de hagedis een opwaartse impuls, vervolgens
maakt hij een slag schuin neerwaarts door het water,
waarbij om de voet een luchtzakje wordt gevormd.
Tenslotte trekt het beestje zijn voet weer op om de
volgende beweging te kunnen maken.
Uit de video wordt duidelijk dat de hagedis erin
slaagt over het water te lopen omdat hij zijn voet
sneller terugtrekt dan het luchtzakje om de voet zich
kan sluiten. Daarnaast slaagt hij er in om voldoende
impuls uit het 'contact' met het water te halen om
vooruit te komen. Het is wel op het randje: gemiddeld is
de geleverde impuls 102% van de benodigde impuls.
Jongere dieren hebben een ruimere marge tot wel 225% van
de benodigde impuls. Zij zijn dan ook een stuk
beweeglijker.
En dan nu de cruciale vraag: 'Kan de mens dit ook?'.
Helaas. De berekeningen tonen aan dat we een
watertrapsnelheid van maar liefst 29 meter per seconde
moeten kunnen halen. Dat is onmogelijk. Het daarvoor
benodigde vermogen bedraagt zo'n 25 kW, dat is ongeveer
vijftien keer meer dan wat een mens maximaal kan
leveren.
Daarmee zijn de technologen weer aan zet. Werk aan de
winkel voor het vermaarde robotlaboratorium van het MIT.
Want als ze bij de vakgroep vloeistofdynamica een
Robostrider in elkaar kunnen knutselen, dan
moeten de echte robottechneuten toch een uitdaging zien
in Robolizard? En dan liefst van voldoende
grootte, zodat we op zijn rug kunnen zitten….
Zie ook:
Verwante onderwerpen in Kennislink
artikelen:
Harm Ikink
(met dank aan Carl Koppeschaar)
Kennislink is ontwikkeld in opdracht van het ministerie van
Onderwijs, Cultuur en Wetenschap