Gå på Caltechs campus, forskningsingenjör Chris Roh (MS '13, Ph.D. '17) råkade se ett bi fastna i vattnet i Millikan Pond. Även om det var en tillräckligt vanlig syn, det ledde Roh och hans rådgivare, Mory Gharib (doktorand '83), till en upptäckt om det potentiellt unika sättet som bin navigerar gränssnittet mellan vatten och luft.

Roh spanade biet under Kaliforniens år långa torka, när dammens fontän stängdes av och vattnet stod stilla. Händelsen inträffade runt kl. så den överliggande solen kastade skuggorna på biet - och, mer viktigt, vågorna vred av det flammande biens ansträngningar - direkt på botten av poolen.

När biet kämpade för att ta sig fram till kanten av dammen, Roh märkte att skuggorna på bassängens botten visade amplituden hos vågorna som genereras av biets vingar, samt interferensmönstret som skapades när vågorna från varje enskild vinge kraschade in i varandra.

"Jag var väldigt upphetsad över att se detta beteende och därför tog jag tillbaka honungsbiet till labbet för att titta närmare på det, "Säger Roh.

Arbetar med Gharib, Caltechs Hans W. Liepmann professor i luftfart och bioinspirerad teknik, Roh återskapade villkoren för Millikan Pond. De lade vatten i en kastrull, tillät det att bli helt stilla, och lägg sedan bin, en i taget, i vattnet. När varje bi flaxade omkring i vattnet, filtrerat ljus riktades direkt ner på det, för att skapa skuggor på botten av pannan. Roh och Gharib studerade 33 bin individuellt i några minuter i taget, försiktigt ur dem efter några minuter för att låta dem återhämta sig från sina simningsinsatser.

Ett papper som beskriver vad de hittade publicerades i Förfaranden från National Academy of Sciences den 18 november.

När ett bi landar på vatten, vattnet fastnar vid sina vingar, rånar det från förmågan att flyga. Dock, den klibbigheten gör att biet kan dra vatten, skapar vågor som driver den framåt. I labbet, Roh och Gharib noterade att det genererade vågmönstret är symmetriskt från vänster till höger. En stark, stor amplitudvåg med ett störningsmönster genereras i vattnet på baksidan av biet, medan ytan framför biet saknar den stora vågen och störningen. Denna asymmetri driver bin framåt med minsta kraft - cirka 20 miljoner av en Newton. (Som referens, ett medelstort äpple som hålls i handen utövar ungefär en Newton kraft på din handflata på grund av tyngdkraften.)

"Rörelsen av biets vingar skapar en våg som kroppen kan rida framåt, "Gharib säger." Det hydrofoils, eller surfar, mot säkerhet. "

Slowmotion-video avslöjade källan till den potentiellt livräddande asymmetrin:snarare än att bara flaxa upp och ner i vattnet, biens vingar pronate, eller kurva nedåt, när du trycker ner vattnet och supinerar (kurvan uppåt) när du drar tillbaka uppåt, Ur vattnet. Dragrörelsen ger dragkraft, medan tryckrörelsen är en återhämtningsslag.

Dessutom, vingslag i vatten är långsammare, med en slagamplitud - måttet på hur långt deras vingar rör sig när de klappar - på mindre än 10 grader, i motsats till 90-120 grader när de flyger genom luften. Under hela processen, vingens dorsala (eller ovansida) förblir torr medan undersidan fastnar vid vattnet. Vattnet som förblir fäst vid vingens undersida ger bina den extra kraft de använder för att driva sig framåt.

"Vatten är tre storleksordningar tyngre än luft, det är därför det fångar bin. Men den vikten är det som också gör den användbar för framdrivning, "Säger Roh.

Bin verkar inte kunna generera tillräckligt med kraft för att befria sig direkt från vattnet, men deras vingrörelse kan driva dem till kanten av en pool eller damm, där de kan dra sig ut på torrt land och flyga iväg. Hydrofoiling är mycket mer beskattning för bina än att flyga, säger Roh, som uppskattar att bina kan hålla igång aktiviteten i cirka 10 minuter, ger dem ett fast fönster för att hitta kanten på vattnet och fly.

Rörelsen har aldrig dokumenterats hos andra insekter, och kan representera en unik anpassning av bin, Säger Roh.

"Under varma dagar, bikupor kräver vatten för att svalna, "Roh säger." Så när temperaturen stiger, arbetare skickas ut för att samla vatten istället för pollen. "Bina hittar en vattenkälla, svälja några i en speciell kammare i sina kroppar, och sedan flyga iväg. Ibland, dock, de faller i. Och om de inte kan frigöra sig, de dör.

Roh och Gharib, som arbetar i Caltechs Center for Autonomous Systems and Technologies (CAST), har redan börjat tillämpa sina resultat på sin robotforskning, utveckla en liten robot som använder en liknande rörelse för att navigera på vattenytan. Även om arbetskrävande, rörelsen kan en dag användas för att generera robotar som kan både flyga och simma.

Studien har titeln "Honungsbin använder sina vingar för rörelse på vattenytan."