Это один из выводов исследования движений лопатоносой змеи, уроженца пустыни Мохаве на юго-западе США. Исследование показывает, как змея использует свою тонкую форму, чтобы плавно перемещаться по песку, и как ее скользкая кожа снижает трение — и то и другое обеспечивает преимущества локомотива по сравнению с другим пловцом в песках: ящерицей, обитающей в пустыне Сахара на севере Африки.
Исследование предоставляет информацию, которая может помочь объяснить, как эволюционное давление повлияло на форму тела у обитающих в песке животных. Эта работа также может быть полезна при разработке поисково-спасательных роботов, способных перемещаться через песок и другие сыпучие материалы.
Используя рентгеновские технологии для наблюдения за каждым существом, движущимся через слой песка, исследователи изучили волны, распространяющиеся по телам змей и ящериц-песчаных рыб. Теория гранулярной силы сопротивления, которая учитывает тягу, создаваемую волнами тела и сопротивление телу животных, помогла смоделировать движение и сравнить энергоэффективность безногой змеи с энергоэффективностью четвероногой ящерицы, что не соответствует действительности. используйте свои ноги, чтобы плыть по песку.
«Нам было любопытно, как движется эта змея, и как только мы наблюдали за ее движением, как она так хорошо двигалась по песку», — сказал Дэн Голдман, доцент Школы физики Технологического института Джорджии. «Наша модель показывает, как и змея, и песчаная рыба движутся настолько быстро, насколько позволяют их формы тела, при этом затрачивая наименьшее количество энергии. Мы обнаружили, что удлиненная форма змеи позволила ей превзойти песчаную рыбу как по скорости, так и по энергоэффективности».
Информация о факторах, позволяющих змее передвигаться быстро и эффективно, может помочь разработчикам будущих робототехнических систем. «Знание того, как движется змея, может быть полезно, например, для того, чтобы помочь роботам двигаться дальше на определенном уровне заряда батареи», — сказал Голдман.При поддержке Национального научного фонда и Управления армейских исследований исследование было опубликовано 18 декабря 2014 года в Журнале экспериментальной биологии. Это исследование считается первым кинематическим исследованием подземных движений у длинной и тонкой лопатоносой змеи Chionactis occipitalis.Измерения, сделанные бывшим доктором философии.
Студент Сара Шарп показала, что змея распространяет бегущие волны по своему телу, от головы до хвоста, создавая изгиб тела и ряд волн вдоль тела, которые усиливают ее движение по песку. Как следствие кинематики, тело змеи движется в основном по той же «трубке» через песок, который создается движением ее клиновидной головы и тела.
Поскольку змея по существу следует своим собственным следам через песок, величина скольжения, создаваемая ее движением, мала, что позволяет ей перемещаться по песку с меньшим энергопотреблением, чем у песчаной рыбы (Scincus scincus), характер движения которой создает большую псевдоожиженную область песок вокруг его тела.В целом исследование показало, что каждое животное оптимизировало свою способность плавать по песку, используя свой особый план тела.«Каждая волна тела, которую производит змея, перемещается дальше, чем песчаная рыба, за одну волну движения своего тела», — отметил Голдман. «Длинное и стройное тело позволяет змее сгибать его с большей амплитудой, создавая больше волн на теле, что делает ее более эффективным пловцом в песке».
Кожа змеи также более скользкая, чем кожа песчаной рыбы, что еще больше снижает количество энергии, необходимое для передвижения по песку.Ученые подозревали, что длинные и стройные животные будут иметь преимущество в плавании по песку перед существами с разной формой тела. Исследование показало, что преимущество заключается в высоком соотношении длины к ширине, которое позволяет формировать больше волн.«Если у вас правильная форма тела и гладкая кожа, вы можете получить очень низкую стоимость транспортировки», — пояснил Голдман.
Чтобы изучить змей, движущихся по песку, Шарп из Междисциплинарной программы биоинженерии Технологического института Джорджии и студентка Робин Кукук из факультета биомедицинской инженерии Уоллеса Х. Коултера в Технологическом институте Джорджии и Университете Эмори наклеили крошечные свинцовые маркеры на весы. змей. Маркеры, которые отваливаются, когда змеи сбрасывают кожу, позволили исследователям получить рентгеновские изображения змей, движущихся под поверхностью песка.
Шарп, ныне инженер-биомеханик в исследовательской и консалтинговой фирме в Фениксе, создал подробные видеоролики, показывающие, как передвигаются змеи.Доцент Патрисио Вела и аспирант Мигель Серрано из Школы электротехники и компьютерной инженерии Технологического института Джорджии разработали программные алгоритмы, которые позволили детально анализировать формы волн, видимых на рентгеновских снимках, в зависимости от времени.Стивен Келер, научный сотрудник прикладной физики Гарвардского университета, применил теорию силы сопротивления для получения данных о движении змей и энергоэффективности. Животные, плавающие в песке, могут двигаться только в том случае, если тяга, создаваемая их телами, превышает создаваемое сопротивление.
Теория предсказывала, что кожа змеи будет иметь примерно вдвое меньшее трение, чем кожа песчаной рыбы, и это предсказание было подтверждено экспериментально.Джо Мендельсон, директор по исследованиям в зоопарке Атланты, помог исследовательской группе найти змей и управлять ими.
Понимание того, как животные перемещаются через сыпучие материалы, такие как песок, может помочь разработчикам роботизированных систем лучше понять, как оптимизировать использование энергии, что может быть значительным ограничивающим фактором в робототехнике.«Это исследование действительно о том, как форма и форма тела влияют на эффективность движений, и как мы можем перейти от эксперимента к теории, чтобы улучшить наше понимание этих проблем», — сказал Гольдман. «То, что мы изучаем, может помочь поисковым и спасательным роботам маневрировать на сложной местности и избегать препятствий».Помимо проблем с робототехникой, эта работа может помочь ученым понять биологические проблемы, такие как то, как сходятся планы тел живущих в пустыне ящериц и змей, чтобы оптимизировать их способность перемещаться по окружающей среде.
«Эти гранулярные системы плавания оказываются весьма полезными для понимания фундаментальных вопросов эволюционной биологии, биомеханики и энергетики, потому что их легко анализировать и они могут описывать большое количество систем», — добавил Голдман.Видео: https://www.youtube.com/watch?v=WfzWraq_rWE