‘Aerodynamica is gewoon ontzettend complex’

Met een drietal hogesnelheidscamera’s maakt aerodynamicus Florian Muijres 3D-reconstructies van de vlucht van muggen en andere insecten.

Bij het ontrafelen van de aerodynamische krachten rondom de vlucht van dieren gelooft aerodynamicus Florian Muijres heilig in interdisciplinaire samenwerking. ‘Je kunt enorme sprongen in kennis genereren door van elkaars achtergronden te leren.’

‘Toen ik als postdoc in Washington State zeer nauwkeurig beschreef hoe het sturingsapparaat werkt dat fruitvliegen inzetten tijdens ontsnappingsmanoeuvres, had ik nooit kunnen voorspellen dat daar een toepassing uit zou rollen. Toch gebeurde dat ruim vier jaar later in samenwerking met de Universiteit Delft, waar ze al langere tijd bio-geïnspireerde vliegende robots maakten. Die hadden toen allemaal nog een staart. Maar met de kennis uit mijn onderzoek lukte het om een vliegende robot zonder staart te bouwen, die we door het aanpassen van de aerodynamische krachten veel preciezer en sneller van richting konden laten veranderen. Hij kon dus sneller en beter manoeuvreren en makkelijker tegen stootjes dan zijn voorgangers; handig voor bijvoorbeeld slimme meetsystemen met drones in kassen.’

Dat vertelt Florian Muijres over zijn 55 keer uitvergrote mechanische fruitvlieg die hem in 2018 een Science-publicatie opleverde. Vlieggedrag en ontsnappingsmanoeuvres van dieren zijn de rode draad in zijn werk. Zo stort hij zich als jonge masterstudent in Wageningen op flappende vleugels van insecten, ontrafelt hij als promotieonderzoeker de vliegcapriolen van vogels en vleermuizen in de windtunnel van de Zweedse universiteit in Lund, en ontsnappen later in zijn carrière ook muggen, motten, vlinders en hommels niet aan zijn aandacht. Dat laatste doet hij in Wageningen, bij dezelfde vakgroep als waar hij zijn carrière begon en nu als hoogleraar experimentele dierkunde leiding geeft. Op 28 september sprak hij zijn oratie uit.

Aerodynamica
‘Ik ben opgegroeid in de prachtige natuur van Limburg en ging er veel op uit om beestjes te kijken; van jongs af aan was ik al gefascineerd door vliegende dieren. En apparaten trouwens. Mijn jongenskamer hing vol posters van vliegtuigen’, herinnert Muijres zich. ‘Ik heb dan ook lang getwijfeld tussen een studie biologie of juist iets technisch. Uiteindelijk is het aerodynamica geworden aan de TU Delft.’ Tijdens zijn masteronderzoek in Wageningen komen Muijres’ twee fascinaties echter weer samen. ‘Het was enorm inspirerend om opeens met een groep biologen aan de aerodynamica van vliegende insecten te werken en daardoor een belangrijk moment in mijn leven. Voor het eerst dacht ik: misschien wil ik helemaal niet de industrie in, maar wetenschapper worden.’

De interdisciplinaire samenwerking die Muijres in Wageningen zo inspireerde, blijft hem de rest van zijn carrière energie geven. ‘In Lund werkte ik met ecologen, biofysici en ingenieurs samen om het vliegapparaat van vogels en vleermuizen te ontrafelen. Dat was voor die tijd echt uniek. Maar je kunt enorme sprongen in kennis genereren door van elkaars achtergronden te leren. Dat is echt de kracht van interdisciplinair werken’, constateert Muijres. ‘Het leverde me als broekie meteen een Science-publicatie op, waarin ik zeer nauwkeurig beschreef hoe sommige vleermuizen en vogels kunnen hoveren : door de zuigende werking omhoog van een luchtwervel vlak boven de vleugels; voorheen was dit alleen beschreven bij insecten.’

‘Het leverde me als broekie meteen een Science publicatie op’

Aangezien verreweg het meeste van Muijres’ onderzoek nieuwsgierigheidsgedreven is, komen toepassingen veelal uit onverwachte hoek. ‘Toen ik met een Veni-subsidie op zak in 2014 terugkeerde naar Wageningen, heb ik daarvan als kickstart voor mijn onderzoek een drietal hogesnelheidscamera’s gekocht. Daarmee kon ik 3D-reconstructies maken van de vlucht van muggen, door ze van verschillende kanten te observeren. Zo hebben we onder meer met mechanische vliegenmeppers gekeken hoe ze die ontwijken.’ Met een vergelijkbare opzet constateren Muijres en zijn collega’s vervolgens hoe het kan dat veel malariamuggen weten te ontkomen aan geurvallen. ‘Zodra muggen in de buurt van de val komen, detecteren ze de aanzuigende werking ervan. Meestal vliegen ze dan net op tijd weg. Maar door de luchtvochtigheid en warmte van de vallen te verhogen, lukte het ons de muggen beter te foppen en er drie keer zoveel te vangen. De verbeterde werking van de vallen hebben we vervolgens ook met veldwerk in Tanzania kunnen bevestigen.’

Glijvluchten
Dat veldwerk is voor Muijres overigens zeer uitzonderlijk, hoewel labresultaten in het veld testen soms onmisbaar is. Zoals bijvoorbeeld het geval is bij recent onderzoek naar het vlieggedrag van Morpho-vlinders in het Amazonegebied. ‘Vlindersoorten die tussen de dicht begroeide onderbeplanting vliegen, zijn met krachtige vleugelslagen snel en behendig. Maar soorten die juist in de meer open ruimten onder het bladerdak vliegen, doen dat met geavanceerde glijvluchten. Met veld- en labexperimenten hebben we kunnen aantonen dat ze met die glijvluchten energie-efficiënter vliegen en grotere afstanden kunnen afleggen. Het is natuurlijk heel gaaf als je labresultaten op dit soort manieren kunt testen in het veld.’

De aankomende jaren wil Muijres zich onder meer richten op het bouwen van bio-geïnspireerde neurale netwerken. ‘Er zijn grote ontwikkelingen gaande in de kunstmatige intelligentie, en die kennis wil ik gaan inzetten om nóg beter te begrijpen hoe een dier zijn neurale systemen tijdens vlucht aanstuurt. Aan de andere kant zal het visualiseren van vlucht altijd de kern van mijn onderzoek blijven. Aerodynamica is gewoon ontzettend complex en veel onderdelen van vlucht begrijpen we nog steeds niet helemaal.’