Hoe kolibries hummen

Het team van ingenieurs is er daarmee in geslaagd om voor het eerst bij een vliegend dier de precieze oorsprong van het vleugelgeluid te achterhalen. Het vleugelgeluid van een kolibrie blijkt namelijk te ontstaan door het drukverschil tussen de boven- en onderkant van de vleugels, dat in grootte en oriëntatie varieert als de vleugel op en neer slaat. Deze drukverschillen zijn essentieel voor de kolibrie, omdat ze de netto aerodynamische kracht leveren waarmee de vogel opstijgt en stil in de lucht kan hangen.

In tegenstelling tot andere vogelsoorten, wekt de kolibrievleugel zowel tijdens de opwaartse vleugelslag, als tijdens de neerwaartse vleugelslag een sterke aerodynamische kracht naar boven op. Dus twee keer per slag. De opwaartse lift blijkt nu de grootste bijdrage te leveren aan het hum-geluid van de kolibrie.

Het verschil tussen zoemen, brommen, hummen en wooshen

Hoogleraar David Lentink van Stanford University: “Daarom maken vogels en insecten zoveel verschillende geluiden. Muggen zoemen, bijen brommen, kolibries hummen en grotere vogels whoosen. De meeste vogels zijn relatief stil omdat ze maar één keer, bij de neerwaartse vleugelslag, de meeste lift genereren. Kolibries en insecten zijn luidruchtiger omdat ze dat twee keer per vleugelslag doen.”

Die resultaten brachten de onderzoekers samen in een 3D-geluidsmodel van vogel- en insectenvleugels. Het geeft biologisch inzicht in hoe vleugels geluid maken en voorspelt ook hoe de aerodynamische prestaties van een flappende vleugel het geluid zijn volume en ‘kleur’ geeft. “Het kenmerkende geluid van de kolibrie wordt als prettig ervaren door de vele ‘boventonen’ die ontstaan vanwege het variëren van de aerodynamische krachten op de vleugel. De kolibrievleugel is daarom vergelijkbaar met een heel mooi gestemd muziekinstrument”, licht Lentink glimlachend toe.

High-tech geluidscamera

Om tot hun model te komen, onderzochten de wetenschappers zes ‘Anna’s’ kolibries, die veel voorkomen rondom Stanford. Ze lieten de vogels één voor één in een speciale ruimte uit een nep-bloem met suikerwater drinken. Rondom de ruimte, voor de vogel niet zichtbaar, stonden de camera’s, microfoons en druksensoren opgesteld om elke vleugelslag tijdens het stilhangen voor de bloem minutieus vast te kunnen leggen.

De apparatuur die daarvoor nodig was, is niet zomaar in iedere winkel te koop. Onderzoeker en CEO Rick Scholte van Sorama, een spin-off van de TU Eindhoven: “Om het geluid zichtbaar te maken en gedetailleerd te kunnen onderzoeken, gebruikten we door ons bedrijf ontwikkelde geluidscamera's. Optische camera's zijn daarvoor verbonden met een netwerk van 2176 microfoons. Samen werken zij een beetje zoals een warmtecamera waarmee je een warmtebeeld kunt tonen. Wij maken het geluid zichtbaar in een ‘heatmap’, waarmee je de 3D-geluidsvelden in detail kunt zien.”

Nieuwe aerodynamische druksensoren

Om die 3D-geluidsbeelden te kunnen interpreteren, moet je weten welke beweging de vogelvleugel maakt op elk geluid-meetpunt. Daarvoor kwamen de twaalf hogesnelheidscamera’s van Stanford van pas, die frame-voor-frame de exacte vleugelbeweging vastlegde.

Lentink: “Maar daarmee ben je er nog niet. We wilden ook de aerodynamische krachten meten die op de vleugel van de kolibrie inspeelden tijdens de vlucht. Daar moesten we speciale apparatuur voor ontwikkelen.” Zes erg gevoelige drukplaten wisten uiteindelijk de lift en de weerstandsdruk bij het op en neer bewegen van de vleugels vast te leggen tijdens een vervolgexperiment. Een unicum.

De terabytes aan gegevens moesten vervolgens worden gesynchroniseerd. De onderzoekers wilden namelijk precíes weten bij welke vleugelpositie welk geluid en welke druk ontstond. Scholte: “Omdat licht zoveel sneller reist dan geluid, moesten we elk frame voor zowel de camera’s als de microfoons apart kalibreren zodat de geluidsopnames en de beelden steeds precies overeenkomen.” Bovendien stonden de camera’s, microfoons en sensoren natuurlijk allemaal op een andere plaats in de ruimte, waardoor de onderzoekers ook nog moesten corrigeren voor de plaats in de ruimte.

Algoritme als compositietekenaar

Heb je uiteindelijk per frame de vleugelplaats, het bijbehorende geluid én de druk naast elkaar gelegd, dan kan het interpreteren van de gegevens beginnen. Dat deden de onderzoekers met kunstmatige intelligentie, iets waarop promovendus Patrick Wijnings van de TU/e zich toelegde.

Wijnings: “We ontwikkelden daarvoor een algoritme dat uit de metingen een 3D-geluidsveld kan interpreteren. Hiermee bepaalden we het meest waarschijnlijke geluidsveld van de kolibrie. De oplossing voor dit zogenoemde inverse-probleem lijkt op wat een compositietekenaar bij de politie doet: met behulp van enkele aanwijzingen de meest betrouwbare tekening van de dader maken. Op die manier voorkom je dat een kleine verstoring in de metingen het resultaat verandert.”

Al die resultaten wisten de onderzoekers uiteindelijk terug te brengen tot een simpel 3D-geluidsmodel, geleend uit de vliegtuigwereld en wiskundig aangepast naar flappende vleugels. Het model voorspelt accuraat welk geluid een flapperende vleugel maakt, niet alleen van de kolibrie, maar ook van andere vogels, vleermuizen, insecten en zelfs bij robots met flapperende vleugels geïnspireerd op dieren.

Drones stiller maken

Hoewel het niet de focus van dit onderzoek was, kan de opgedane kennis ook vliegtuigen, drones en ventilatoren van laptops en stofzuigers verbeteren. Als je namelijk weet hoe de complexe aerodynamische krachten van een dier geluid produceren, dan kun je die kennis gebruiken om vliegende of bewegende apparaten die complexe krachten genereren, stiller te maken.

Dat is dan ook precies wat Sorama beoogt: “Wij maken geluid zichtbaar om apparaten geluidsarmer te kunnen maken. Geluidsvervuiling wordt een steeds groter probleem. En alleen een decibelmeter gaat dat niet oplossen. Je moet weten waar het geluid vandaan komt en hoe het wordt geproduceerd, om het weg te kunnen nemen. Daar zijn onze geluidscamera’s voor. Dit onderzoek naar de kolibrievleugel geeft ons een compleet nieuw en zeer accuraat model als uitgangspunt, om nóg beter ons werk te kunnen doen”, concludeert Scholte.

Dit onderzoek verschijnt op 16 maart in het journal eLife, onder de titel “How Oscillating Aerodynamic Forces Explain the Timbre of the Hummingbird’s Hum and Other Animals in Flapping Flight”. Het experimentele en analytische werk van dit onderzoek is uitgevoerd door promovendus Patrick Wijnings van de TU Eindhoven onder begeleiding van Rick Scholte van Sorama en Sander Stuijk en Henk Corporaal van TU/e , en promovendus  Ben Hightower van Stanford onder begeleiding van David Lentink van Stanford University met hulp van vier co-auteurs uit het Lentink Lab: Rivers Ingersoll, Diana Chin, Jade Nguyen en Daniel Shorr. Dit onderzoek is gefinancierd door NWO perspectief programma ZERO en CAREER AWARD National Science Foundation (NSF). DOI: https://doi.org/10.7554/eLife.63107