Как отмечают морские биологи уже много лет, морские тюлени обладают удивительно тонким чувством для обнаружения добываемой пищи. Даже при завязанных глазах обученные тюлени могут проделывать точно такой же путь, как и объект, который проплыл на 30 секунд раньше. Ученые подозревают, что лазерная способность тюленя отслеживать местонахождение тюленя частично объясняется его антенно-подобными усами.
Сейчас инженеры MIT создали и протестировали крупномасштабную модель усов морского котика и определили механизм, который может объяснить, как тюлени чувствуют окружающую среду и отслеживают добычу.
Команда обнаружила, что усы тюленя выполняют две основные функции в восприятии окружающей среды: сначала остаются неподвижными в ответ на собственные движения тюленя по воде, а затем колеблются в "скользящем" движении в ответ на турбулентность, вызванную движущимся объектом.
В своих экспериментах исследователи отметили, что как только искусственный ус попадает в след, оставленный проходящим объектом, он начинает вибрировать на той же частоте, что и проходящие по нему волны. Тщательная визуализация показывает, что усы "слаломы" среди них, как зигзагообразный лыжник между флагами.
Исследования показывают, что слаломинг позволяет волоску извлекать энергию из волн, вызывая его вибрацию с точной частотой - механизм, который может дать тюленям представление о пути объекта, его размере и даже его форме.
Майкл Триантафиллоу, профессор кафедры машиностроения Массачусетского технологического института имени Уильяма И. Коха, говорит, что биологически модифицированные датчики, смоделированные по образцу усы тюленя, могут помочь подводным аппаратам в отслеживании косяков рыбы, а также источников загрязнения, к чему он в настоящее время стремится.
"Успокаивающий эффект"
Усы портового тюленя уникальны по форме: Даже на первый взгляд, ус кажется не ровным, а волнистым. Под увеличительным стеклом рисунок более сложный, с эллиптическим поперечным сечением, которое варьируется по размеру вдоль его пролета.
"Удивительно видеть этот сложный рисунок, это не просто прямая антенна, это идеальная синусоида", - говорит Триантафиллоу.
Он и Бим предположили, что необычайно интересная форма уса может сыграть роль в исключительной чувствительности тюленя.
Используя технологии 3D-печати, Бим воспроизводит морфологию тюленя волнистой формы в гораздо большем масштабе, чтобы точно измерить его реакцию на различные волнения. Она проверила вибростойкость уса в баке длиной 30 метров с подвижной дорожкой, подвешенной над водой.
В своих экспериментах Бим сначала прикрепила искусственный ус к движущейся дорожке, позволяя ему свободно вибрировать в воде по мере того, как он двигался по всей длине бака.
В то время как большинство длинных тонких стержней имеют тенденцию создавать большие волны, или водовороты, при движении по воде, образуя узор, хорошо известный в механике жидкости, Бим обнаружил, что волнистый узор геометрии уса создает гораздо более слабые волны, что позволяет ему двигаться через воду тихо, с очень низкой вибрацией.
Исследователи обнаружили, что модифицированный ус может помочь тюленю устранить его беспокойство при движении по воде.
"Это все равно, что высунуть голову из окна автомобиля и не издавать шума, чтобы уши не звонили: Это успокаивающий эффект, - говорит Триантафиллоу.
Датчик усов
Чтобы проверить, как ус реагирует на внешние раздражители, Бим провела второй ряд экспериментов, в котором она прикрепила перед усами большой, длинный цилиндр. Когда цилиндр двигался вниз по аквариуму, он создавал большие волны, похожие на те, которые создавала проходящая рыба.
В ответ она обнаружила, что усы, следуя за цилиндром, сильно вибрируют, перемещаясь по волнам в режиме слаломирования. По мере изменения скорости движения ус быстро адаптировался, вибрируя с точностью до частоты изменения волн цилиндра.
"Геометрия ус позволяет очень тихо перемещаться по воде, если вода спокойна, и извлекать энергию из следа рыбы, чтобы она сильно колебалась", - говорит Бим. "Теперь у нас есть представление о том, как тюлени могут найти рыбу, которую они не видят."
Триантафиллоу говорит, что искусственные усы могут быть полезны в качестве маломощных датчиков для подводных транспортных средств.
"У нас уже есть несколько датчиков, которые могут определять скорость, но теперь, когда мы знаем, что они могут сделать, мы можем использовать их для отслеживания источников загрязнения и тому подобное", - говорит Триантафиллоу. "Имея несколько усов на транспортном средстве, например, вы можете обнаружить шлейф и отследить его до самого конца."