9099 подписчиков

Как змея движется по прямой

23 января 201823 янв 2018

165

5 мин

Исследования Snake могут продвинуть робототехнику, чтобы двигаться через узкие туннели после катастрофы

Эксперт разкрыл механику движения змей по прямой линии

Змеи известны своими знаковыми S-образными движениями. Но у них есть менее заметный навык, который дает им уникальную способность, не имеющую себе равной.

Змеи могут ползти по прямой.

Биолог Бич Джейн из Университета Цинциннати изучил механику движения змей, чтобы точно понять, как они могут продвигаться вперед, как поезд через туннель.

«Это очень хороший способ передвигаться в ограниченном пространстве», - сказал Джейн. «Многие тяжелые змеи используют этот способ передвижения: гадюки, боа-констрикторы, анаконды и питоны».

Его исследование под названием «Ползание без извивания» было опубликовано в декабре в журнале «Экспериментальная биология» .

Змеи обычно плавают, поднимаются или ползают, сгибая их позвоночник в змеевидные катушки или используя передние края, чтобы оттолкнуть объекты. Крайний пример их разнообразия движений дает змеевику имя гремучей змеи.

Jayne, профессор биологических наук в колледже искусств и наук Мак-Мейкена в UC, уже разкрыл механику трех видов передвижения змей, называемую гармоникой, серпантином и боком. Но прямому движению змей, называемому «прямолинейным движением», внимания уделялось меньше, сказал он.

Эта координация мышечной активности и движения кожи была впервые рассмотрена в 1950 году биологом HW Lissmann. Он предположил, что мышцы змеи в сочетании с ее рыхлой, гибкой и мягкой кожей живота позволили ей двигаться вперед, не сгибая позвоночника.

«Прошло почти 70 лет, и этот тип перемещения был хорошо понят», - сказал Джейн.

Джейн и его аспирант и соавтор Стивен Ньюман опробовали гипотезу Лисмана, используя оборудование, недоступное исследователям в 1950-х годах. Джейн использовал цифровые камеры высокого разрешения для съёмок Boa constrictor (обыкновенный удав) при записи электрических импульсов, создаваемых отдельными мышцами. Это создало электромиограмму (аналогичную ЭКГ), которая показывала координацию между мышцами, кожей змеи и ее телом.

Для исследования Ньюмен и Джейн использовали боа-констрикторов, крупнозернистые змеи, известные, как путешествующие в лесу по прямой. Они записывали видео высокой четкости о змеях, движущихся по горизонтальной поверхности, хэшированных с помощью контрольных меток. Исследователи также добавили контрольные точки по бокам змей, чтобы отслеживать тонкое движение их чешуйчатой кожи.

Когда змея движется вперед, кожа на ее животе сгибается намного больше, чем кожа над грудью и спиной. Брюшные щёчки действуют как ступни на шине, обеспечивая сцепление с землей, когда мышцы тянут внутренний скелет змеи вперед в волнообразном узоре, который становится жидким и бесшовным, когда они быстро движутся.

Мускулы змеи последовательно активируются от головы к хвосту замечательно жидким и бесшовным способом. Две из ключевых мышц, отвечающих за это, простираются от ребер (costo) к коже (cutaneous), что дает им свое имя кожнорёберные (costocutaneous).

«Позвоночный столб движется вперед с постоянной скоростью», - сказал Ньюмен. «Один набор мышц тянет кожу вперед, а затем закрепляется на месте, а противоположные антагонистические мышцы тянут позвоночный столб».

Преимущество такого движения очевидно для хищника, который ест грызунов и других животных, проводящих время под землей.

«Змеи эволюционировали от роющих предков. Вы можете поместиться в гораздо более узкие отверстия или туннели, двигаясь таким образом, как если бы вам приходилось сгибать свое тело и толкать что-то», - сказал Ньюмен.

Исследование было частично поддержано грантом Национального научного фонда.

Джейн сказал, что описание 1950-х годов Лисманна во многом было правильным. «Но он предположил, что мышца, которая укорачивает кожу, - это механизм, который продвигает змею вперед. Он понял это неправильно», - сказала Джейн. «Но, учитывая время, проведенное им, я восхищаюсь тем, как он это сделал. У меня огромное восхищение его прозрениями».

Промышленность попыталась имитировать естественные движения змей в роботах, которые могут проверять трубопроводы и другое подводное снаряжение. Ньюман сказал, что роботы, которые могут использовать прямолинейное движение змеи, могут иметь широкое применение.

«Это исследование может помочь робототехнике. Иметь возможность двигаться по прямым линиям в небольших замкнутых пространствах было бы большим преимуществом. Они могли бы использовать змеиных роботы для поиска и спасения в обломках и разрушенных зданиях», - сказал Ньюмен.

Прямолинейная локомоция (перемещение) - это низкая передача для змей, которая в противном случае может вызвать удивительную скорость. Они используют его только тогда, когда они расслаблены. Исследователи заметили, что змеи возвращались к традиционным гармоническим и серпантинным движениям, когда они были поражены или стимулировались к движению.

Учёный всегда был очарован змеями. Его работа была опубликована в более чем 70 журнальных статьях, большинство из которых изучают некоторые аспекты поведения змеи или их биологии. Совсем недавно Джейн изучил локомоцию змей, особенно удивительную способность некоторых из них лазать по деревьям.

Жизненный интерес Джейн к змеям дал науке глубокое понимание механики многих ранее недокументированных поведений. Он изучал крабов-змей в Малайзии и испытывает остроту змеиного зрения в своей собственной импровизированной оптической лаборатории в UC...

«Они движутся настолько многими увлекательными способами. Это потому, что у них такое невероятное разнообразие моторных моделей, которые может генерировать нервная система?» Говорит Джейн.

«Несмотря на то, что у всех змей одинаковый план тела, есть полностью водные змеи, змеи, которые движутся на плоских поверхностях, змеи, которые движутся в горизонтальном плане, змеи, которые поднимаются. Они ходят повсюду», - сказал он. «И причина, по которой они могут идти повсюду, - это так много разных способов контролировать свои мышцы. Это довольно интригующе».

Източник. (полная версия текста)