Japanische Wissenschaftler haben herausgefunden, wie Marienkäfer ihre Flügel falten, indem sie einen transparenten künstlichen Flügel auf das Insekt transplantierten und seinen zugrunde liegenden Faltmechanismus beobachteten. Die Ergebnisse der Studie, die erklären, wie die Flügel ihre Festigkeit und Steifigkeit während des Fluges beibehalten und gleichzeitig elastisch für kompaktes Falten und Lagern am Boden werden können, geben Hinweise für das innovative Design einer Vielzahl von einsetzbaren Strukturen, von Satellitenantennen über mikroskopisch kleine medizinische Instrumente bis hin zu Gegenständen für den täglichen Gebrauch wie Regenschirme und Ventilatoren.

Marienkäfer sind sehr bewegliche Insekten, die mit Leichtigkeit und Geschwindigkeit zwischen Gehen und Fliegen wechseln können, da sie ihre Flügel schnell entfalten und kollabieren können. Ihre Flügel bestehen aus dem gehärteten Elytra, den Vorderflügeln mit den bekannten Flecken und den für den Flug verwendeten Hinterflügeln mit weicher Membran, die vom Elytra bedeckt und geschützt werden.Frühere Studien haben gezeigt, dass Auf- und Abbewegungen im Bauch und komplexe Origami-ähnliche Faltenmuster auf den Flügeln eine wichtige Rolle beim Faltprozess spielen, aber wie die einfache Bewegung eine so komplizierte gefaltete Form erzeugt, blieb ein Rätsel. Marienkäfer schließen ihre Elytra vor dem Flügelfalten, wodurch die Beobachtung des detaillierten Prozesses verhindert wird, und da die Elytra wesentliche Elemente für das Falten sind, können sie auch nicht entfernt werden, um zu enthüllen, was darunter liegt.Um den Faltmechanismus und die Struktur zu untersuchen, konstruierte eine japanische Forschungsgruppe ein transparentes künstliches Elytron aus ultraviolettem lichtgehärtetem Harz – oft in der Nagelkunst angewendet — mit einem Silikonabdruck eines Elytrons, den sie von einem Coccinella septempunctata entfernten gefleckter Marienkäfer und transplantierte es, um den fehlenden Vorderflügel zu ersetzen.Die Gruppe unter der Leitung von Assistenzprofessor Kazuya Saito vom Institute of Industrial Science der Universität Tokio beobachtete dann mit Hochgeschwindigkeitskameras die Falt- und Entfaltungsbewegungen des Hinterflügels. Die Wissenschaftler fanden heraus, dass die Marienkäfer den Rand und die Unterseite des Elytrons, dessen Krümmung der charakteristischen Kurvenform der Hinterflügelvenen entspricht, geschickt nutzen, um die Flügel entlang von Faltenlinien zu falten, zusammen mit Bauchhebebewegungen, die zum Reiben und Ziehen der Hinterflügel in ihren dorsalen Stauraum führen.

„Ich war mir nicht sicher, ob der Marienkäfer seine Flügel mit einem künstlichen Elytron aus Nail-Art-Harz falten könnte“, sagt Saito. „Ich war überrascht, als ich herausfand, dass es möglich ist.“

Darüber hinaus untersuchten die Forscher mithilfe der Mikrocomputertomographie (CT) die dreidimensionalen (3D) Formen gefalteter und entfalteter Flügel sowie Biegepunkte im starren Bereich der Hinterflügel, um den Flügeltransformationsmechanismus zu verstehen, der zu Steifigkeit und Festigkeit führt, die für das Fliegen erforderlich sind, und Elastizität, die das Falten erleichtert. Sie zeigten, dass eine gekrümmte Form in den Venen, ähnlich wie die von Bandfeder— die Vorrichtung zum Messen auch als Carpenter Band bekannt — hilft, die Flügel zu unterstützen. Ähnliche bandfederartige Strukturen – stark und fest im ausgefahrenen Zustand, die jedoch beliebig gebogen und in kompakter Form gelagert werden können — werden häufig in Verlängerungsauslegern und Scharnieren von raumfahrbaren Strukturen wie Satellitenantennen verwendet.

„Die Technik der Marienkäfer, komplexe Faltungen zu erreichen, ist sehr faszinierend und neuartig, insbesondere für Forscher in den Bereichen Robotik, Mechanik, Luft- und Raumfahrt und Maschinenbau“, sagt Saito.

Zu verstehen, wie Marienkäfer die widersprüchlichen Anforderungen erfüllen können, ihre Hinterflügel mit Stärke und Stabilität für den Flug zu stärken und sie gleichzeitig nach der Landung biegsam für das Falten und die kompakte Lagerung zu machen, hat erhebliche Auswirkungen auf die Ingenieurwissenschaften.