Lopen over water

Wetenschappers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) hebben doorgrond hoe het kleine schaatsenrijdertje (Gerris remigis) over water kan lopen. Ze maakten meteen een robot die het ook kan: de robostrider. Ook wat grotere dieren, zoals de basilisk- of Jezushagedis, kunnen over water lopen. Zal het de mens ooit lukken?

1 mei 2006

Het is fascinerend en jaloersmakend, de aanblik van een fragiel insect dat schijnbaar moeiteloos over het stille water van een bosmeertje glijdt. Lopen over water is, net als vliegen, een stille wens van de mens, al zolang we bestaan. Vliegen kunnen we inmiddels, maar met het lopen over water wil het nog niet zo lukken. Misschien moeten we nog even geduld hebben.

Wetenschappers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) uit Boston (VS) publiceerden in het tijdschrift Nature van 7 augustus het ontwerp van een heuse waterlopende robot. Robostrider noemden ze hem, vernoemd naar het insectje Waterstrider dat in goed Nederlands het schaatsenrijdertje heet.

Een foto van een schaatsenrijdertje en een robot, genaamd de robostrider. — De negen centimeter lange Robostrider is ontworpen en gebouwd door promovendus Brian Chan. Hij maakte het lijf uit een aluminium frisdrankblikje, gebruikte roestvrij stalen draden voor de benen en dreef die aan met een elastiekje opgewonden op een katrolletje. Het mechanische beestje, licht genoeg om op het wateroppervlak te blijven, gaat met schokkerige bewegingen vooruit. Minder gracieus en effectief als zijn biologische voorbeeld, maar wel volgens dezelfde principes.
MIT

Natuurkundige verklaring

De principes van het ‘schaatsenrijden’, daar was het de onderzoekers om te doen. Chan maakt deel uit van een team bij de onderzoeksgroep voor vloeistofdynamica onder leiding van wiskundehoogleraar John Bush. Samen met collega-promovendus David Hu bestudeerde hij het loopgedrag van het schaatsenrijdertje. De in Nature van 7 augustus gepubliceerde MIT studie geeft voor het eerst een gedetailleerde natuurkundige verklaring voor het waterlopen van de kleine aquatische insecten.

Natuurlijk was er al eerder onderzoek verricht aan het intrigerende fenomeen. Opnamen met hogesnelheidscamera’s hadden al aan het licht gebracht dat schaatsenrijders die op hun prooi afschieten versnellingen ondergingen die ruim tien maal groter waren dan de versnelling van de zwaartekracht. Dat is te vergelijken met het afvuren van een luchtafweerraket. Schaatsenrijders schieten echter niet door de lucht, maar rennen over het water.

Oppervlaktespanning

Een insekt dat zo snel kan lopen over water? Is een schaatsenrijder dan soms lichter dan die vloeistof? Wie een schaatsenrijder van dichtbij bekijkt, ziet meteen dat hij meer moet wegen. De pootjes drukken kuiltjes in het wateroppervlak. Die schijnbare overwinning van de zwaartekracht komt door de oppervlaktespanning.
Oppervlaktespanning ontstaat omdat watermoleculen elkaar sterk aantrekken. Deze cohesiekrachten verhinderen dat de moleculen kunnen ‘ontsnappen’. In het water zelf zijn de cohesiekrachten van alle kanten even sterk. Maar aan het grensvlak met de lucht ontbreken bovenliggende watermoleculen. Zo worden de moleculen aan het oppervlak naar ‘binnen’ getrokken. De kracht die langs het oppervlak het uiteengaan van de grensvlakmoleculen tegenwerkt, resulteert in de oppervlaktespanning die er . voor zorgt dat het wateroppervlak zich als een gespannen vlies gedraagt.

Door de oppervlaktespanning is het wateroppervlak voor kleine dieren een vloer om op te lopen. De ‘voeten’ van de schaatsenrijder bevatten dicht op elkaar geplaatste, waterafstotende haartjes die kleine luchtbelletjes vasthouden en zo voor nog meer drijfvermogen zorgen.

Roeien

Duidelijk is dus dat een schaatsenrijdertje op het water kan staan. Maar lopen, hoe gaat dat dan? Daar waren de deskundigen niet helemaal uit. Wel was duidelijk dat de beestjes een soort roeibeweging uitvoeren met de middelste twee van hun zes poten. De voorste twee poten worden opgeheven, de achterste twee dienen als ‘roer’ en de twee roeipoten zorgen voor de voorstuwing. Maar daar kwamen de onzekerheden. Want waar zetten die roeipoten zich precies tegen af?

De meest acceptabele verklaring was altijd dat ze een rimpeling in het gladde vlies van het wateroppervlak teweeg brachten en dat de schaatsenrijder dan volgens de derde wet van Newton (actie is min reactie) vooruitbewoog. Toch kon dat niet helemaal kloppen. Berekeningen toonden aan dat de roeipoten met een snelheid van minstens 25 centimeter moesten bewegen om het insect de impuls te geven die in de waargenomen voortbeweging resulteert. Bij volwassen beestjes bleek dat inderdaad het geval. Maar kleine schaatsenrijdertjes scheren bijna even snel over het water terwijl hun korte,veel tragere pootjes bij lange na niet de benodigde impuls kunnen opwekken.

Deze onvolkomenheid in de verklaring werd in 1993 beschreven door de Amerikaanse biomechanicus Mark Denny en staat sindsdien bekend als Denny’s Paradox. Nu, na tien jaar, laten de MIT onderzoekers zien dat het allemaal net even anders ligt. Daarbij gebruikten ze een even eenvoudige als doeltreffende techniek, waarbij het insectje met hogesnelheidscamera’s (500 beelden per seconde) in beeld wordt gebracht terwijl het over een laagje met thymolblauw gekleurd water loopt.

De prachtige plaatjes leverden het verrassende inzicht dat de voorstuwing van de schaatsenrijder niet te danken is aan rimpelingen in het watervlies aan de oppervlakte, maar aan wervelingen dieper in het water. Deze onderwaterwervels zijn te vergelijken de kleine draaikolkjes die bij het varen van een roeiboot achter de bladen van een roeispaan ontstaan. Het verschil is wel dat de roeispaan in het water steekt terwijl de pootjes van het schaatsenrijdertje het water alleen indrukken.

Eenvoudige hydrodynamische berekeningen lieten zien dat de diepe wervelingen het insect een veel grotere impuls kunnen geven dan de oppervlakterimpelingen. Dat betekent dat ook de korte, langzame pootjes van de kindertjes in voldoende snelheid resulteren. Daarmee was de paradox van Denny uit de wereld.

Meer waterlopers

Er zijn nog wel meer dieren die zich over het grensvlak tussen water en lucht voortbewegen. In ons land komen ook vijverlopers (Hydrometridae) voor die langzaam over het wateroppervlak lopen en prooien spiezen die op het wateropervlak drijven of naar boven komen om adem te halen. Beeklopers (Veliidae) lopen ook op het water rond, maar duiken ook onder de waterspiegel. Springstaarten (Poduridae) huppelen als kangeroes over het wateroppervlak. Roofkevers van het geslacht Stenus kunnen over het water schieten door een substantie af te scheiden die de oppervlaktespanning achter hem verlaagt, zodat de kever voorwaarts schiet door de hogere oppervlaktespanning van het water. Tenslotte zijn er nog de draaikevertjes of schrijvertjes (Gyridinae) die ook insekten eten die in het oppervlaktevlies blijven plakken. Zij zijn vooral nu in de nazomer actief.

Een van de meest spectaculaire waterlopers is de basiliskhagedis. Dit beestje gebruikt zijn achterpoten om over het water te rennen op jacht naar prooi of om zelf aan achtervolgers te ontkomen. De jongeren lijken er haast overheen te vliegen, de oudere, zwaardere dieren weten zich in continue worsteling aan het water te ontrukken. Deze bijzondere hagedis kreeg vanwege zijn aquatisch loopvermogen de bijnaam ‘Jezushagedis’ ( Jezus Christ Lizard). Als de mens ooit zou willen lopen, zou hij het van dit wonderbaarlijke beestje moeten afkijken.

http://www.youtube.com/watch?v=JF-UMgdkph4

Kan de mens dit ook?

In 1996 beschreven de onderzoekers Glasheen en McMahon in het tijdschrift Nature hoe ze hun videocamera op waterlopende basiliskhagedissen richtten om hun loopgedrag te analyseren. Ze kwamen tot een hydrodynamisch model met drie fasen: klap, slag en optrek ( slap, stroke, protraction). Tijdens de klap op het water verkrijgt de hagedis een opwaartse impuls, vervolgens maakt hij een slag schuin neerwaarts door het water, waarbij om de voet een luchtzakje wordt gevormd. Tenslotte trekt het beestje zijn voet weer op om de volgende beweging te kunnen maken.

Uit de video wordt duidelijk dat de hagedis erin slaagt over het water te lopen omdat hij zijn voet sneller terugtrekt dan het luchtzakje om de voet zich kan sluiten. Daarnaast slaagt hij er in om voldoende impuls uit het ‘contact’ met het water te halen om vooruit te komen. Het is wel op het randje: gemiddeld is de geleverde impuls 102% van de benodigde impuls. Jongere dieren hebben een ruimere marge tot wel 225% van de benodigde impuls. Zij zijn dan ook een stuk beweeglijker.

En dan nu de cruciale vraag: ‘Kan de mens dit ook?’. Helaas. De berekeningen tonen aan dat we een watertrapsnelheid van maar liefst 29 meter per seconde moeten kunnen halen. Dat is onmogelijk. Het daarvoor benodigde vermogen bedraagt zo’n 25 kW, dat is ongeveer vijftien keer meer dan wat een mens maximaal kan leveren.

Daarmee zijn de technologen weer aan zet. Werk aan de winkel voor het vermaarde robotlaboratorium van het MIT. Want als ze bij de vakgroep vloeistofdynamica een Robostrider in elkaar kunnen knutselen, dan moeten de echte robottechneuten toch een uitdaging zien in Robolizard? En dan liefst van voldoende grootte, zodat we op zijn rug kunnen zitten….