Ingenieure können von Bienen für optimale Wabendesigns lernen

Perfekte sechseckige Strukturen, inspiriert von Bienenwaben in Bienennestern, werden häufig verwendet, um alles von Flügeln von Flugzeugen, Booten und Autos bis hin zu Skiern, Snowboards, Verpackungen und akustischen Dämpfungsmaterialien zu bauen.

Herausforderungen entstehen, wenn Platzmangel oder Reparaturen Ingenieure erfordern, die Struktur mechanisch stabil zu halten, wenn sie industrielle Wabenplatten miteinander verbinden, die jeweils Zellen unterschiedlicher Größe enthalten. Die mit 3D-Druckern verwendeten Hochleistungscomputer könnten dieses Problem in Zukunft vielleicht lösen, aber könnten Bienen eine effizientere und anpassungsfähigere Strategie bieten?

Eine neue Studie hat ergeben, dass dies möglich ist. Es stellt sich heraus, dass Honigbienen geschickte Architekten sind, die vorausplanen und unregelmäßig geformte Bienenstöcke und eine Vielzahl von Winkeln schaffen, um normale Klemmen bei begrenztem Platz zusammenzuhalten.

Spezielle Bildgebung von natürlichen Waben und Computermodellen haben gezeigt, dass Arbeiterbienen die Neigung, Größe und Geometrie von Zellen ändern werden, um verschiedene Konstruktionsherausforderungen zu erfüllen, so das Papier „Unvollständige Wabenkonstruktion zeigt architektonische Fähigkeiten von Honigbienen“, veröffentlicht am 26. Juli in den Proceedings der Nationalen Akademie der Wissenschaften.

„In dieser Basisstudie haben wir uns ein natürlich entwickeltes System angesehen, das ähnliche Herausforderungen nahezu perfekt löst“, sagte er. Kristen Petersen, Assistenzprofessor für Elektrotechnik und Computertechnik am College of Engineering und Mitautor des Artikels.

„Das Verständnis, wie die Evolution mit architektonischen Tricks zu diesen Organismen führen kann, gibt uns Einblicke in den Bau von Mehrzweckstrukturen, die robust und widerstandsfähig gegenüber verschiedenen Umweltstörungen sind“, sagte der Erstautor Michael L. Smith, Ph.D. ’17, Assistenzprofessor für biologische Wissenschaften an der Auburn University, der diese Arbeit an der Cornell University begann.

Bienen sind dafür bekannt, zwei Arten von sechseckigen Bienenwaben zu bauen: kleine für Arbeiterbienen und größere für Männchen, die reproduktive Bienenstöcke sind. Die Herausforderung – und einige Überlegungen – ergibt sich, wenn Bienen Klammern aus kleineren Zellen an größere anbringen müssen, weil die Geometrien keinen reibungslosen Sitz zulassen. Ein Problem ist, dass Bienen ihre Bienenstöcke nicht umbauen. „Was auch immer sie an einem Ort tun, es entscheidet effektiv, was als nächstes passiert“, sagte Petersen. Smith sagte auch, dass Wachs für Honigbienen die teuerste Substanz in Bezug auf Energie ist.

„Wenn sie etwas aus Wachs bauen, sind sie möglichst sparsam“, sagt Smith, der auch assoziiertes Mitglied des Max-Planck-Instituts für Tierverhalten an der Universität Konstanz in Deutschland ist.

Infolgedessen verwenden Bienen andere Formen – Fünf- oder Siebenecke -, um Platten von Drohnenzellen und sechseckigen Arbeitszellen zu verbinden. Neben dem Bau von Zellen unterschiedlicher Form bauen Bienen auch unregelmäßig große Bienenstöcke und sammeln manchmal mehrere Arten von unregelmäßigen Zellen. Die Autoren bezeichnen diese Paare und Tripletts unregelmäßiger Zellen als „Muster“ und zeigen, dass bestimmte Kombinationen häufiger vorkommen als zufällig erwartet.

Manchmal wechseln die Bienen vom Bau einer Zellart zu einer anderen, aber sie ändern diese schrittweise über mehrere Bienenstöcke hinweg, was darauf hindeutet, dass sie an die Zukunft denken, sagte Petersen.

In der Studie schuf Smith 12 Kolonien auf dem Feld mit Rahmen, denen das übliche Wachs und der Innendraht fehlen, sodass Bienen ohne Anhaltspunkte natürliche Waben bauen können. Am Ende der Saison machten die Forscher speziell beleuchtete Bilder und schrieben dann eine benutzerdefinierte Software, um die Scheitelpunkte, Winkel, Volumina und geometrischen Formen von Tausenden von Zellen automatisch zu identifizieren, zu sortieren und zu messen. Mitverfasser Nils KnappDer außerordentliche Professor für Elektrotechnik und Computertechnik am College of Engineering entwickelte ein theoretisches Computermodell, das es ihnen ermöglichte, Konfigurationen zu analysieren und die optimale Weise zu testen, wie Zellen unter räumlichen Beschränkungen kontinuierlich zusammenpassen können. Sie benutzten das Modell, um zu fragen: Wie könnten Bienen am besten tun? „Es stellt sich heraus, dass es nicht viel besser ist“, sagte Petersen.

Vor mehr als 200 Jahren schlug die Schweizer Entomologin Françoise Huber vor, dass Bienen Zwischenbeuten verwenden könnten, um Waben miteinander zu verschmelzen, aber ihm fehlten moderne Werkzeuge, um Tausende von Bienenstöcken zu messen und seine Idee zu validieren.

„Es brauchte wirklich diese Tools, um das rigoros zu zeigen“, sagte Smith. „Also ist es keine Überraschung, dass das noch niemand gemacht hat.“

In zukünftigen Arbeiten können Forscher untersuchen, ob Waben die mechanische Festigkeit verbessern und die Breite des architektonischen Repertoires der Biene testen.

Die Studie wurde von der Simons Foundation, dem National Science Foundation, der Deutschen Forschungsgemeinschaft, dem Packard Fellowship for Science and Engineering und GETTYLABS gefördert.