Анализ механизмов, позволяющих лазающим по деревьям змеям поднимать значительную часть тела в вертикальное положение, представляет значительный интерес для биомеханики. Исследование, опубликованное 25 февраля в Журнале интерфейса Королевского общества, проливает свет на энергоэффективные стратегии, используемые этими рептилиями. Ученые установили, что змеи способны локализовать контроль, концентрируя мышечные усилия и изгибы в небольшой области у основания поднимающегося тела.
Этот подход позволяет минимизировать энергозатраты по сравнению с гипотетическим сценарием, при котором было бы необходимо напрягать всю мускулатуру тела. Математическое моделирование, проведенное исследователями, подтверждает, что комбинация фокальной активности в основании с общей координацией мышц является оптимальной для поддержания вертикальной позы. Данное открытие углубляет понимание адаптаций безногих позвоночных к лазанию.
Основной вывод исследования заключается в том, что лазающие змеи используют энергоэффективную стратегию, концентрируя мышечный контроль и изгибы в небольшой области у основания тела. Это позволяет им подниматься и удерживать вертикальное положение, минимизируя общие энергозатраты за счет сочетания локализованных и общекоординационных усилий.
Некоторые змеи, лазающие по деревьям, такие как австралийская коричневая древесная змея, демонстрируют способность поднимать в воздух до 70 процентов длины своего тела. Это позволяет им совершать вертикальные переходы с нижних точек опоры на более высокие.
Длинные и мускулистые питоны, например, способны скользить между ветвями, а также подниматься в вертикальное положение для достижения следующей точки опоры. Ключевой вопрос заключается в механизме, который позволяет им сохранять равновесие без использования конечностей для опоры. Исследование показывает, что секрет заключается в локализованном контроле, сосредоточенном в критически важной области.
Вместо того чтобы прикладывать значительные усилия для напряжения всего тела при принятии вертикальной позы, древесные змеи могут фокусировать энергию изгиба и мышечную активность в небольшой зоне у своего основания, как сообщается в исследовании от 25 февраля в Журнале интерфейса Королевского общества. Проведенный командой математический анализ демонстрирует, что сочетание такой стратегии с общей координацией мышечной активности по всему телу позволяет змеям поддерживать вертикальное положение с минимальными энергетическими затратами.
«Змеи похожи на мышечные верёвки», — говорит биоинженер и робототехник Дэвид Ху из Технологического института Джорджии в Атланте, который не принимает участие в обучении. «И они могут совершать магические трюки, сгибая свое тело и предотвращая [себя] падение».
В более обученном обучении зоолог Брюс Джейн из Университета Цинциннати и его коллеги показывают, что, когда змеи, бросающие вызовы гравитации, движутся вверх, они активируют мышцы вдоль позвоночника. В новом поведении Джейн и его коллеги научились, как змеи справляются с подъемом без ограничений, не прогибаясь под собственным весом.
Этот скрабовый питон принимает знакомую позу, переход с одного насеста на другую в лаборатории: максимальную нижнюю и почти вертикальную позу над ним. Брюс К. Джейн/Университет. Цинциннати
Команда засняла на видео четыре змеи — три коричневых древесных змея ( Бойга неправильный ) и кустарникового питона ( Simalia amesthistina __GTAG5__ ) — вертикальное пересечение промежутков между насестами в лаборатории. На кадрах видно, что существа для этого надежно искажали S-образную форму, особенно если зазор был большим. Змеи были максимально изогнуты ближе к тому часу, где они сидели. Выше этого они были почти вертикальными, как высокий столб, стоящий прямо — почти без наклона, гравитация почти не имела рычагов, которые могли бы их прокинуть.
Чтобы понять задействованные силы, физики математически смоделировали это Существо как активную эластичную нить — мягкую структуру, которая может создать свою форму и активировать мышцы в ответ — и исследовали две стратегии того, как змея может быть в статье. В одном из них часть тела локально реагирует на собственную кривизну. В другом случае мышечная активность, хотя и более низкая, координируется по всему телу, чтобы минимизировать энергию, необходимую для того, чтобы стоять.
Оба разъема воспроизводили S-образную форму, при этом большая часть изгиба концентрировалась возле насеста. Однако стратегия глобальной коалиции потребовала меньших темпов развития. И в этом изгибе изгибающая сила падала меньше того, как большая часть змеи поднималась в воздух. Учитывая, что второй подход приводит к минимуму как мощности, так и мощности, исследователи подозревают, что даже создать змеи использовать аналогичный выход, чтобы добиться как можно более высокой энергоэффективности.
Математические расчеты также показывают, что, хотя они могут использовать сравнительно небольшую силу, чтобы принять позу, они тратят значительно больше энергии, оставаясь в вертикальном положении. На видеороликах змеи, которые стоят выше, немного покачиваются из стороны в сторону, что позволяет предположить, что они активно напрягают свои мышцы, чтобы поддерживать уважение.
Результаты могут помочь в разработке змееподобных роботов, которые можно будет использовать в пещерных и подводных исследованиях, а также при обследовании элементов местных направляющих. «Было бы интересно посмотреть, можно ли использовать эти идеи управления и обратную связь для создания роботов, благодаря чему вам будет легче или управлять использованием меньшего количества электрической энергии для придания нужных вам форм», — говорит соавтор исследований Лю Хоффманн, прикладной математик из Гарвардского университета.