Исследователи используют 3D-моделирование для расшифровки роли воздушных волн в полетах змей

Когда змея райского дерева летит с одной высокой ветви на другую, ее тело колышется волнами, похожими на зеленую кисть, на пустой площадке голубого неба. Это движение, воздушная волнистость, происходит в каждом скольжении, сделанном членами семейства Chrysopelea, единственными известными негибкими позвоночными, способными к полету. Ученые знали это, но еще не полностью объяснили это.

На протяжении более 20 лет Джейк Соча, профессор кафедры биомедицинской инженерии и механики в Virginia Tech, стремился измерить и смоделировать биомеханику полета змеи и ответить на вопросы о них, например, о функциональной роли воздушной волнистости. Для исследования, опубликованного Nature Physics , Socha собрал междисциплинарную команду для разработки первой непрерывной, анатомически точной трехмерной математической модели Chrysopelea paradisi в полете.

Команда, в которую вошли Шейн Росс, профессор кафедры аэрокосмической и океанической инженерии им. Кевина Т. Крофтона, и Айзек Йитон, недавний аспирант по машиностроению и ведущий автор статьи, разработали 3D-модель после измерения более 100 живых змей. скользит. Модель учитывает частоты волнообразных волн, их направление, силы, действующие на тело, и распределение массы. С его помощью исследователи провели виртуальные эксперименты, чтобы исследовать воздушную волну.

В одном из этих экспериментов, чтобы узнать, почему волнистость является частью каждого скольжения, они имитировали то, что произойдет, если бы этого не произошло — отключив его. Когда их виртуальная летающая змея больше не могла воздушно колебаться, ее тело начало падать. Испытание в сочетании с имитацией скольжения, которое поддерживало волну волнистости, подтвердило гипотезу команды: воздушная волнистость повышает стабильность вращения у летающих змей.

Вопросы полета и передвижения наполняют сочинскую лабораторию. Группа подготовила свою работу над летающими змеями между исследованиями того, как лягушки выпрыгивают из воды и проносятся по ней, как кровь течет через насекомых и как утки приземляются на пруды. Частично для Сочи было важно исследовать функциональную роль волнистости в скольжении змей, потому что было бы легко предположить, что у него действительно не было этого.

«Мы знаем, что змеи волнистые по разным причинам и во всех видах локомоторных контекстов,» сказала Соха. «Это их основная программа. Под программой я подразумеваю их нейронную, мышечную программу? — они получают конкретные инструкции: уволить эту мышцу, уволить эту мышцу, уволить эту мышцу. Она древняя. Она выходит за рамки змей. Создание волнистости — старое. Вполне возможно, что змея попадает в воздух, а потом говорит: «Что мне делать? Я змея. Я волнистая».

Но Соча верил, что это намного больше. На протяжении всего полета змеи райского дерева происходит так много вещей, что трудно распутать их невооруженным глазом. Соча описал несколько шагов, которые происходят при каждом скольжении? — шаги, которые читаются как преднамеренные.

Сначала змея прыгает, обычно изгибая свое тело в «J-петлю» и выпрыгивая вверх и наружу. Когда он запускается, змея меняет свою форму, его мышцы смещаются, чтобы выровнять свое тело везде, кроме хвоста. Тело становится «морфирующимся крылом», которое создает силы подъема и сопротивления, когда над ним течет воздух, поскольку он ускоряется вниз под действием силы тяжести. Соча изучил эти аэродинамические свойства в нескольких исследованиях. С уплощением приходит волнистость, поскольку змея посылает волны вниз по своему телу.

В начале исследования у «Сочи» была теория воздушной волнистости, которую он объяснил, сравнив два типа самолетов: гигантские самолеты и истребители. Джамбо-джеты рассчитаны на стабильность и начинают отступать самостоятельно, когда встревожены, сказал он, тогда как истребители выходят из-под контроля.

Так какой же будет змея?

«Это как большой реактивный самолет, или это естественно нестабильно?» Соча сказал. «Является ли эта волнистость потенциальным способом борьбы со стабильностью?»

Он верил, что змея будет больше похожа на истребитель.

Чтобы запустить тесты, исследующие важность волнистости для стабильности, команда решила разработать математическую модель 3D, которая могла бы производить моделируемые скольжения. Но сначала им нужно было измерить и проанализировать, что делают настоящие змеи во время скольжения.

В 2015 году исследователи собрали данные захвата движения от 131 живого скольжения, сделанного змеями райских деревьев. Они превратили The Cube, четырехэтажный театр «черный ящик» в Центре искусств Мосса, в крытую глиссаду и использовали свои 23 высокоскоростных камеры, чтобы запечатлеть движение змей, когда они прыгали с 27 футов вверх — из дуба ветвь дерева на ножничном подъемнике — и сползла вниз к искусственному дереву внизу или на окружающий мягкий пенопласт, команда выложила в простынях, чтобы смягчить свои приземления.

Камеры излучают инфракрасный свет, поэтому змеи были помечены светоотражающей лентой на 11-17 точках вдоль их тел, что позволяло системе захвата движения определять их изменяющееся положение с течением времени. Нахождение количества точек измерения было ключом к исследованию; в прошлых экспериментах Соча отмечал змею в трех точках, затем в пяти, но эти цифры не давали достаточно информации. Данные с меньшего количества точек видеосигнала обеспечили только грубое понимание, что привело к нестабильности и волнистости с низкой точностью в получаемых моделях.

Команда нашла сладкое место в 11 — 17 баллов, что дало данные высокого разрешения. «С помощью этого числа мы могли бы получить точное представление о змее и точное», — сказал Соча.

Исследователи продолжили строить трехмерную модель, оцифровывая и воспроизводя движение змеи, одновременно складывая измерения, которые они ранее собирали по распределению массы и аэродинамике. Эксперт по динамическому моделированию, Росс руководил работой Йейтона над непрерывной моделью, черпая вдохновение в работе космического корабля.

Он работал с Сочей, чтобы моделировать летающих змей с 2013 года, и их предыдущие модели рассматривали тело змеи по частям — сначала в трех частях, как туловище, середина и конец, а затем как связку. «Это первое, что непрерывно», сказал Росс. «Это как лента. Это наиболее реалистично».

В виртуальных экспериментах модель показала, что воздушная волнистость не только удерживала змею от опрокидывания во время скольжения, но и увеличивала пройденное расстояние по горизонтали и вертикали.

Росс видит аналогию с волнистостью змеи при вращении фрисби: возвратно-поступательное движение увеличивает стабильность вращения и приводит к лучшему скольжению. По его словам, благодаря волнообразному движению змея способна уравновесить силу подъема и сопротивления, создаваемую ее уплощенным телом, вместо того, чтобы быть подавленной ими и опрокидываться, и она может идти дальше.

Эксперименты также показали команде детали, которые они раньше не могли представить. Они увидели, что змея использовала две волны при волнистости: горизонтальную волну большой амплитуды и недавно обнаруженную вертикальную волну меньшей амплитуды. Волны шли одновременно из стороны в сторону, вверх и вниз, и данные показали, что вертикальная волна шла вдвое быстрее горизонтальной. «Это действительно очень странно, — сказал Соча. Эти двойные волны были обнаружены только у одной другой змеи, боковой, но ее волны идут с той же частотой.

«Что действительно делает это исследование мощным, так это то, что мы смогли значительно улучшить наше понимание кинематики скольжения и нашу способность моделировать систему», — сказал Йейтон. «Полет змеи сложен, и часто сложно заставить змей сотрудничать. И есть много хитростей, чтобы сделать вычислительную модель точной. Но приятно собрать все кусочки вместе».

«Я думаю, что за все эти годы я видел около тысячи полетов», — сказал Соча. «Все равно удивительно видеть каждый раз. Видя это лично, в этом есть что-то немного другое. Это все еще шокирует. Что именно делает это животное? Возможность отвечать на вопросы, которые у меня были с тех пор, как я был аспирантом, много, много лет спустя, это невероятно приятно «.

Соча приписывает некоторые элементы, которые сформировали реальные и смоделированные эксперименты по плаванию, силам, находящимся вне его контроля. Шанс привел его к крытой глиссаде: через несколько лет после открытия Центра искусств Мосса Таннер Аптеггроув, медиа-инженер Института творчества, искусства и технологии, или ICAT, спросил его, думал ли он когда-нибудь о работе в куб.

«Что такое куб?» он спросил. Когда Аптегрово показал ему пространство, он был поражен. Казалось, предназначено для экспериментов Сочи.

В некотором смысле, так и было. «Во многих проектах в ICAT использовалась передовая технология Cube, студии, не похожей ни на одну другую в мире, чтобы показать то, что обычно не было видно», — сказал Бен Кнапп, директор-основатель ICAT. «Ученые, инженеры, художники и дизайнеры объединяют свои усилия для создания, создания и внедрения новых способов решения самых грандиозных задач в мире».

В одном из популярных проектов центра «Тело, полное времени» медиа и визуальные художники использовали пространство для движения, чтобы запечатлеть движения тела танцоров для захватывающего представления. Обменивая танцоров на змей, Соча смог максимально использовать систему захвата движения Куба. Команда могла перемещать камеры, оптимизируя их положение для пути змеи. Они воспользовались решетчатой ​​работой в верхней части пространства, чтобы расположить две камеры, указывающие вниз, обеспечивая змею сверху, чего они никогда раньше не могли сделать.

Соча и Росс видят потенциал для своей трехмерной модели, чтобы продолжать исследовать полет змеи. Команда планирует эксперименты на открытом воздухе, чтобы собрать данные о движении с более длинных планов. И однажды они надеются пересечь границы биологической реальности.

Прямо сейчас их виртуальная летающая змея всегда скользит вниз, как настоящее животное. Но что, если они смогут заставить его двигаться так, чтобы он действительно начал расти? Чтобы действительно летать? По словам Росса, эта способность потенциально может быть встроена в алгоритмы роботизированных змей, которые имеют захватывающие приложения для поиска и спасания и мониторинга стихийных бедствий.

«Змеи так хорошо умеют перемещаться в сложных условиях», — сказал Росс. «Если бы вы могли добавить эту новую модальность, она бы работала не только в естественной обстановке, но и в городской среде».

«В некотором смысле, Virginia Tech является центром биоинженерии, — сказал Соча. «Подобные исследования не только дают представление о том, как работает природа, но и закладывают основу для дизайна, вдохновленного природой. Эволюция является совершенным творческим мастером, и мы рады, что продолжаем открывать природные решения таких проблем, как эта, извлекающие полет. из покачивающегося цилиндра. «

---

Источник истории:

Материалы предоставлены Virginia Tech . Примечание: содержание может быть отредактировано по стилю и длине.

---

Связанные мультимедиа :

• Изображения и видео полета змеи райского дерева

---

Ссылка на журнал :

1. Исаак Дж. Йитон, Шейн Д. Росс, Грант А. Баумгарднер, Джон Дж. Соха. Волнистость позволяет скользить летающим змеям . Физика природы , 2020; DOI: 10.1038 / s41567-020-0935-4