Investigating the body shape drag coefficient of beetles (Coleoptera) with different foraging strategies using 3D scanned models

Abstract

In many beetle species, foraging typically involves movements of the whole body, and successful foraging may be related to body shape, velocity, and hydrodynamic/aerodynamic efficiency. Insects with lower drag coefficients are likely to have more efficient flight or swimming capabilities. This confers advantages in terms of energy, maneuverability, and overall performance. Predatory beetles require fast-forward acceleration and strikes to chase their prey, and hence their drag coefficient is expected to be lower compared to species with more stationary foraging styles. Natural selection may favor insects with streamlined body shapes that minimize drag. Here, we aim to estimate the body shape drag coefficient of different foraging styles in aquatic and terrestrial beetles: the carnivorous Cybister chinensis (Dystiscidae), the herbivorous Hydrophilus acuminatus (Hydrophilidae), the herbivorous Pseudotorynorrhina japonica (scarabaeidae) for comparison. We took a series of 2D pictures of the specimen from multiple angles using a 3D scanner. Utilizing Zephyr 3DF software, we were able to generate a 3D model to produce more detailed representations of the beetle geometry. Using computational fluid dynamics (CFD), a software used to simulate complex fluid flow and assess the hydrodynamics and aerodynamics around a body., we were able to calculate the drag coefficient of these three species for hydrodynamic efficiency. The results for the CFD simulation were consistent with the drag coefficient number found in the literature, the results were considerably different among three species. When a 3D model was set to face the flow at a velocity of 0.1 m/s, the drag coefficient number was 0.430 for Cybister chinensis, 0.477 for Hydrophilus acuminatus, 0.376 for Pseudotorynorrhina japonica. These findings highlight the significance of body shape and drag coefficient in determining the hydrodynamic efficiency of beetles, providing valuable insights into their evolutionary adaptations and ecological performance.;많은 딱정벌레 종에서 채집은 일반적으로 몸 전체의 움직임을 포함하며, 성공적인 채집은 몸 모양, 속도 및 유체 역학/공기 역학 효율성과 관련이 있을 수 있습니다. 항력 계수가 낮은 곤충은 더 효율적인 비행이나 수영 능력을 가질 가능성이 높습니다. 이는 에너지, 기동성 및 전반적인 성능 측면에서 이점을 제공합니다. 포식성 딱정벌레는 먹이를 쫓기 위해 빠른 가속과 공격이 필요하므로 항력 계수는 고정된 채집 스타일을 가진 종에 비해 낮을 것으로 예상됩니다. 자연 선택은 항력을 최소화하는 유선형 몸체를 가진 곤충을 선호할 수 있습니다. 우리는 비교를 위해 육식성 Cybister chinensis (Dystiscidae), 초식성 Hydrophilus acuminatus (Hy-drophilidae), 초식성 Pseudotorynorrhina japonica (scarabaeidae) 등 수생 및 육상 딱정벌레의 다양한 채집 스타일의 체형 항력 계수를 추정하는 것을 목표로 합니다. 우리는 3D 스캐너를 사용하여 여러 각도에서 표본의 일련의 2D 사진을 찍었습니다. Zephyr 3DF 소프트웨어를 활용하여 3D 모델을 생성하여 딱정벌레 형상을 보다 자세히 표현할 수 있었습니다. 복잡한 유체 흐름을 시뮬레이션하고 신체 주변의 유체역학과 공기역학을 평가하는 데 사용되는 소프트웨어인 전산유체역학 (CFD)을 사용하여 유체역학적 효율성에 대한 이 세 종의 항력 계수를 계산할 수 있었습니다. CFD 시뮬레이션 결과는 문헌에서 발견된 항력 계수 수치와 일치했으며 결과는 세 가지 종 사이에서 상당히 달랐습니다. 3D 모델이 0.1m/s의 속도로 흐름을 향하도록 설정한 경우 항력계수는 Cybister chinensis의 경우 0.430, Hydrophilus acuminatus의 경우 0.477, Pseudotory-norrhina japonica의 경우 0.376이었습니다. 이러한 발견은 딱정벌레의 유체역학적 효율성을 결정하는 데 있어 체형과 항력 계수의 중요성을 강조하여 진화적 적응과 생태학적 성능에 대한 귀중한 통찰력을 제공합니다.