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Wie Schlangen fliegen

Eine Schlange windet sich durch die Luft (Bild: Nature Video)

Geschmeidig sausen sie von Baum zu Baum: Forscher sind einem Geheimnis des skurrilen Gleitflugs der Schmuckbaumnattern auf die Spur gekommen. Auch in der Luft sind Schlängelbewegungen offenbar vorteilhaft. Sie sorgen für Stabilität beim Gleiten, geht aus den Experimenten und Simulationen hervor. Die Erkenntnisse zur Aerodynamik dieser speziellen Fortbewegungsweise könnten der Robotik zugutekommen, sagen die Wissenschaftler.

Auf Gliedmaßen verzichten sie – der Körperbau der Schlangen avancierte in der Evolutionsgeschichte zu einem ausgesprochenen Erfolgskonzept. Tausende von Schlangenarten haben sich viele unterschiedliche Lebensräume der Erde erobert: Sie winden sich durch Erdlöcher, sausen über den Wüstensand, schlängeln sich bis in die Baumkronen hinauf und gleiten geschmeidig durchs Wasser. Das scheinbar Unmögliche haben in diesem Zusammenhang die Schmuckbaumnattern (Chrysopelea) geschafft: Die südostasiatischen Reptilien können im Gleitflug beachtliche Entfernungen durch die Luft überwinden. Auf diese Weise entkommen sie schnell und effektiv Bedrohungen oder verfolgen ihre Beutetiere.

Wozu das Schlängeln in der Luft?

Die aerodynamischen Mechanismen des Gleitflugs der skurrilen Reptilien stehen bereits seit einiger Zeit im Fokus von Forschern. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass sich die Schlangen mit einer Art Sprung in die Luft schleudern und ihren Körper dabei abflachen, um für mehr Luftwiderstand zu sorgen. Sie können anschließend bei einer Höhe von acht Metern etwa vier Meter in der horizontalen Ebene vorankommen. Sie überwinden diese Distanz dabei buchstäblich: Wie auf dem Boden führen die Schmuckbaumnattern auch beim Gleitflug in der Luft schlängelnde Bewegungen aus. Mit genau diesem Aspekt haben sich nun die Forscher um John Socha vom Virginia Institute of Technology in Blacksburg beschäftigt. Es stellte sich die Frage, ob diese seitlichen Bewegungen eine Rolle beim Flug spielen oder ob es sich nur um einen eher bedeutungslosen Reflex der Tiere handelt.

Die Wissenschaftler haben dazu das Flugverhalten von Schmuckbaumnattern der Art Chrysopelea paradisi analysiert. Sie nutzen dazu das sogenannte Motion Capture Verfahren, mit dem beispielsweise auch Bewegungen von Schauspielern in Hollywood erfasst werden, um dreidimensionale Darstellungen zu generieren. Die Forscher brachten die dazu notwendigen Markierungen auf den Schlangen an und ließen sie dann in einem Versuchsraum von einem Ast aus zu einem Baum als Ziel starten. Die Markierungen auf ihren Körpern vermittelten dabei Hochgeschwindigkeitskameras genaue Informationen über die Bewegungsabläufe. Aus den Daten entwickelten die Wissenschaftler anschließend ein genaues 3D-Modell des Gleitflugs der Schlangen. Sie deckten dabei ein bisher unbekanntes vertikales Element im Rahmen der seitlichen Bewegungen auf.

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Stabilität beim Gleitflug

Welche Bedeutung das Schlängeln hat, verdeutlichten dann Computersimulationen des Gleitflugs mit und ohne dieses Bewegungsmuster: Fehlt es, verliert die Schlange in der Luft ihre Stabilität und beginnt sich unkontrollierbar zu drehen. Das Schlängeln mit der leichten Aufwärtsbewegung sorgt hingegen für eine stabile und aufrechte Flughaltung, geht aus den Modellsimulationen hervor. Es handelt sich somit um einen wichtigen aerodynamischen Mechanismus beim Flug der Schlangen. Von keinem anderen Tier ist bisher ein solches Konzept bekannt, betonen die Wissenschaftler. „Jetzt wissen wir, dass die Tiere diese Bewegungen nicht nur ausführen, weil sie Schlangen sind, sondern dass sie eine Funktion haben. Ohne das Schlängeln würden die Tiere wohl einfach zu Boden fallen“, sagt Socha.

Neben der biologischen und physikalischen Bedeutung könnte das Konzept auch der Entwicklung von Schlangenrobotern dienen, sagen die Forscher. Durch ihre vielfältigen Fähigkeiten zur Fortbewegung sind die Schlangen bereits zu skurrilen Musen der Robotik avanciert: Wissenschaftler versuchen die Bewegungstechniken der geschmeidigen Reptilien auf Roboter zu übertragen, die flexibel einsetzbar sind. Eine perfekte Robo-Schlange könnte beispielsweise die Trümmer bei Katastropheneinsätzen erkunden. In diesem Zusammenhang könnten die Ergebnisse dazu beitragen, Schlangenroboter mit einer Fähigkeit zum Gleiten in der Luft auszurüsten, damit sie gegebenenfalls sicher den Boden erreichen können, so die Wissenschaftler.

Credit: Nature Video

Quelle: Nature Physics, doi: 10.1038/s41567-020-0935-4

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