Camminando nel campus del Caltech, ingegnere di ricerca Chris Roh (MS '13, dottorato di ricerca '17) è capitato di vedere un'ape bloccata nell'acqua del Millikan Pond. Sebbene fosse uno spettacolo abbastanza comune, ha portato Roh e il suo consigliere, Mory Gharib (Ph.D. '83), alla scoperta del modo potenzialmente unico con cui le api navigano nell'interfaccia tra acqua e aria.

Roh ha spiato l'ape durante la lunga siccità della California, quando la fontana dello stagno era spenta e l'acqua era ferma. L'incidente è avvenuto intorno a mezzogiorno, così il sole in alto proiettava le ombre dell'ape e, ma ancora più importante, le onde agitate dagli sforzi dell'ape che si agita, direttamente sul fondo della piscina.

Mentre l'ape si sforzava di raggiungere il bordo dello stagno, Roh notò che le ombre sul fondo della piscina mostravano l'ampiezza delle onde generate dalle ali dell'ape, così come lo schema di interferenza creato quando le onde di ogni singola ala si schiantavano l'una contro l'altra.

"Ero molto entusiasta di vedere questo comportamento e così ho riportato l'ape al laboratorio per dargli un'occhiata più da vicino, " dice Ro.

Lavorando con Gharib, Hans W. Liepmann Professore di Caltech di aeronautica e ingegneria bioispirata, Roh ha ricreato le condizioni del Millikan Pond. Hanno messo l'acqua in una padella, gli permise di divenire perfettamente immobile, e poi metti le api, uno alla volta, in acqua. Mentre ogni ape svolazzava nell'acqua, la luce filtrata veniva puntata direttamente su di essa, per creare ombre sul fondo della padella. Roh e Gharib hanno studiato 33 api individualmente per pochi minuti alla volta, raccogliendoli con cura dopo pochi minuti per farli recuperare dai loro sforzi di nuoto.

Un documento che descrive ciò che hanno trovato è stato pubblicato nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze il 18 novembre.

Quando un'ape atterra sull'acqua, l'acqua si attacca alle sue ali, privandolo della capacità di volare. Però, quella viscosità permette all'ape di trascinare l'acqua, creando onde che lo spingono in avanti. Nel laboratorio, Roh e Gharib hanno notato che il modello d'onda generato è simmetrico da sinistra a destra. Un forte, un'onda di grande ampiezza con un modello di interferenza viene generata nell'acqua nella parte posteriore dell'ape, mentre la superficie davanti all'ape manca della grande onda e dell'interferenza. Questa asimmetria spinge le api in avanti con la minima forza, circa 20 milionesimi di Newton. (Per riferimento, una mela di medie dimensioni tenuta in mano esercita circa un Newton di forza sul palmo a causa della gravità.)

"Il movimento delle ali dell'ape crea un'onda che il suo corpo è in grado di cavalcare in avanti, " dice Gharib. "Si alisca, o surf, verso la sicurezza».

Il video al rallentatore ha rivelato la fonte dell'asimmetria potenzialmente salvavita:invece di sbattere su e giù nell'acqua, le ali dell'ape pronano, o curva verso il basso, quando si spinge verso il basso l'acqua e in supinazione (curva verso l'alto) quando si tira su, fuori dall'acqua. Il movimento di trazione fornisce spinta, mentre il movimento di spinta è un colpo di recupero.

Inoltre, i battiti delle ali nell'acqua sono più lenti, con un'ampiezza della corsa - la misura di quanto lontano viaggiano le loro ali quando svolazzano - inferiore a 10 gradi, rispetto ai 90-120 gradi quando volano nell'aria. Durante l'intero processo, il lato dorsale (o superiore) dell'ala rimane asciutto mentre il lato inferiore si aggrappa all'acqua. L'acqua che rimane attaccata alla parte inferiore dell'ala dà alle api la forza extra che usano per spingersi in avanti.

"L'acqua è tre ordini di grandezza più pesante dell'aria, ecco perché intrappola le api. Ma quel peso è ciò che lo rende utile anche per la propulsione, " dice Ro.

Le api non sembrano in grado di generare abbastanza forza per liberarsi direttamente dall'acqua, ma il loro movimento delle ali può spingerli fino al bordo di una piscina o di uno stagno, dove possono trascinarsi sulla terraferma e volare via. L'aliscafo è molto più faticoso per le api che volare, dice Roh, chi stima che le api potrebbero continuare l'attività per circa 10 minuti, dando loro una finestra fissa per trovare il bordo dell'acqua e fuggire.

Il moto non è mai stato documentato in altri insetti, e può rappresentare un adattamento unico da parte delle api, dice Roh.

"Nei giorni caldi, gli alveari richiedono acqua per rinfrescarsi, " dice Roh. "Quindi quando la temperatura sale, gli operai vengono mandati a raccogliere l'acqua invece del polline." Le api troveranno una fonte d'acqua, ingoiare alcuni in una camera speciale nei loro corpi, e poi vola via. Qualche volta, però, cadono dentro. E se non possono liberarsi, loro muoiono.

Roh e Gharib, che lavorano nel Center for Autonomous Systems and Technologies (CAST) di Caltech, hanno già iniziato ad applicare le loro scoperte alla loro ricerca sulla robotica, sviluppando un piccolo robot che utilizza un movimento simile per navigare sulla superficie dell'acqua. Sebbene laborioso, il movimento potrebbe un giorno essere utilizzato per generare robot in grado sia di volare che di nuotare.

Lo studio è intitolato "Le api usano le ali per la locomozione sulla superficie dell'acqua".