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L'ondulation aérienne améliore la stabilité rotationnelle dans des serpents de vol

Quand le serpent d'arbre de paradis vole d'une succursale grande à l'autre, son fuselage ondule avec des ondes comme le cursive vert sur une garniture neutre de ciel bleu.

Que le mouvement, ondulation aérienne, se produit dans chaque glissement a effectué par des membres de la famille de Chrysopelea, les seuls vertébrés limbless connus capables du vol. Les scientifiques ont connu ceci, mais ont pour l'expliquer encore entièrement.

Pendant plus de 20 années, Jake Socha, un professeur dans le service du génie biomédical et de la mécanique au tech de la Virginie, a recherché à mesurer et modéliser la biomécanique du vol de serpent et à répondre à des questions au sujet de elles, comme cela du rôle fonctionnel de l'ondulation aérienne.

Pour une physique publiée d'étude par nature, Socha a rassemblé une équipe interdisciplinaire pour développer le premier modèle 3D mathématique continu et anatomique-précis de Chrysopelea paradisi en vol.

L'équipe, que Shane inclus Ross, un professeur dans Kevin T. Crofton Department du bureau d'études d'aéronautique et astronautique et d'océan, et Isaac Yeaton, un diplômé doctoral d'industrie mécanique récente et l'auteur important du papier, a développé le modèle 3D après mesure de plus de 100 glissements sous tension de serpent.

Les facteurs de modèle dans les fréquences d'onduler des ondes, leur sens, des forces agissant sur le fuselage, et distribution de masse. Avec lui, les chercheurs ont fait fonctionner des expériences virtuelles pour vérifier l'ondulation aérienne.

Dans un ensemble de ces expériences, pour apprendre pourquoi l'ondulation est une partie de chaque glissement, ils ont simulé ce qui se produirait s'il n'était pas -- en l'arrêtant.

Quand leur serpent virtuel de vol pourrait plus aérien n'onduler, son fuselage a commencé à dégringoler. Le test, appareillé avec les glissements simulés qui ont maintenu les ondes de l'ondulation, confirmés l'hypothèse de l'équipe : l'ondulation aérienne améliore la stabilité rotationnelle dans des serpents de vol.

Les questions du vol et du mouvement remplissent laboratoire de Socha. Le groupe a adapté leur travail sur des serpents de vol entre les études de la façon dont les grenouilles sautent de l'eau et trottinent en travers de elle, de la façon dont le sang traverse des insectes, et comment les canards mettent à terre sur des étangs.

En partie, il était important pour Socha de sonder le rôle fonctionnel de l'ondulation dans des glissements de serpent parce qu'il serait facile de supposer qu'il n'a pas réellement eu un.

Nous savons que les serpents ondulent pour toutes sortes de raisons et dans toutes sortes de contextes locomoteurs. C'est leur programme basique. Par programme, je veux dire leur programme neural et musculaire ? -- ils reçoivent des directives spécifiques : allumez ce muscle maintenant, incendie qui muscle, allument ce muscle. Il est antique. »

Jake Socha, professeur, service de génie biomédical et mécanique, tech de la Virginie

Il dépasse des serpents. Cette configuration de produire des ondulations est vieille. Il est tout à fait possible qu'un serpent entre dans l'air, puis il disparaît, « que je fait ? Je suis un serpent. J'ondule. «  »

Mais Socha cru là était beaucoup plus à lui. Dans tout le vol du serpent d'arbre de paradis, tant de choses se produisent immédiatement, il est difficile de les démêler à l'oeil nu. Socha a décrit quelques opérations qui ont lieu avec chaque glissement ? -- opérations qui se sont affichées comme intentionnel.

D'abord, le serpent saute, habituellement en courbant son fuselage dans une « J-boucle » et en prenant naissance et à l'extérieur. Pendant qu'il lance, le serpent modifie sa forme, ses muscles changeant de vitesse pour aplatir son fuselage à l'extérieur partout mais l'arrière.

Le fuselage devient « une aile morphing » qui produit le levage et les forces de résistance à l'avancement quand les flux d'air au-dessus de lui, en tant que lui accélère vers le bas sous la densité. Socha a examiné ces propriétés aérodynamiques dans des études multiples. Avec aplatir vient l'ondulation, car le serpent envoie des ondes en bas de son fuselage.

Au commencement de l'étude, Socha a eu une théorie pour l'ondulation aérienne qu'il a expliquée en comparant deux types d'aéronefs : gros porteurs contre des avions de chasse. Des gros porteurs sont conçus pour la stabilité et le début à niveler soutiennent tout seul une fois perturbé, dit-il, alors que déroulement de chasseurs de contrôle.

Ainsi qui le serpent serait ?

« Est il aiment un grand gros porteur, ou sont lui naturellement instable ? » Socha a dit. « Est cette ondulation potentiellement une voie de elle traitant la stabilité ? »

Il a cru que le serpent serait plutôt un avion de chasse.

Pour exécuter des tests vérifiant l'importance de l'ondulation pour la stabilité, l'équipe s'est mise à développer un modèle 3D mathématique qui pourrait produire les glissements simulés. Mais d'abord, ils ont dû mesurer et analyser quels serpents réels font en glissant.

En 2015, la caractéristique rassemblée par chercheurs de saisie de mouvement de 131 glissements sous tension effectués par l'arbre de paradis serpente. Ils ont tourné le cube, un théâtre de boîte noire de quatre-histoire aux arts de mousse centrent, dans une arène d'intérieur de glissement et ont employé ses 23 caméras à grande vitesse pour capter le mouvement des serpents pendant qu'elles sautaient de 27 pieds -- d'une succursale de chêne placé sur un levage de ciseaux -- et glissé vers le bas à un arbre artificiel ci-dessous, ou sur la mousse molle environnante complétant l'équipe mettez-vous en feuilles à amortir leurs atterrissages.

Par appareils-photo la lumière infrarouge à l'extérieur mise, ainsi les serpents étaient par la bande infrared-réfléchie sur 11 à 17 remarques le long de leurs fuselages, permettant au système de saisie de mouvement de trouver leur position changeante au fil du temps.

La conclusion du nombre de remarques de mesure a été principale à l'étude ; dans des expériences antérieures, Socha marqué le serpent à trois remarques, puis cinq, mais ces numéros n'a pas fourni assez d'informations. Les caractéristiques de moins remarques de vidéo ont seulement fourni une compréhension grossière, conduisant à l'ondulation agitée et d'inférieur-fidélité dans les modèles donnants droit.

L'équipe a trouvé un endroit doux à 11 à 17 remarques, qui ont donné des caractéristiques à haute résolution. « Avec ce numéro, nous pourrions obtenir une représentation sans heurt du serpent, et précis, » a dit Socha.

Les chercheurs ont continué pour établir le modèle 3D en numérisant et en reproduisant le mouvement du serpent tout en se pliant dans les mesures qu'ils s'étaient précédemment rassemblées sur la distribution de masse et l'aérodynamique. Un expert en matière de modélisation dynamique, Ross a guidé le travail de Yeaton sur un modèle continu par l'inspiration entraînante du travail dans le mouvement de vaisseau spatial.

Il avait travaillé avec Socha pour modéliser des serpents de vol depuis 2013, et leurs versions précédentes ont traité le fuselage du serpent dans les pièces -- d'abord dans trois parts, comme liaison, milieu, et extrémité, et puis comme groupe de tiges. « C'est le premier qui est continu, » a dit Ross. « Il est comme une bande. Il est le plus réaliste à cette remarque. »

Dans des expériences virtuelles, le modèle a prouvé que l'ondulation aérienne a non seulement maintenu le serpent de diriger plus de pendant les glissements, mais elle a augmenté l'horizontal et les distances verticales se sont déplacées.

Ross voit une analogie pour l'ondulation du serpent dans la rotation d'un frisbee : le mouvement d'échange augmente la stabilité rotationnelle et les résultats dans un meilleur glissement.

En ondulant, dit-il, le serpent peut équilibrer à l'extérieur le levage et des forces de résistance à l'avancement que son fuselage aplati produit, plutôt qu'étant accablé par eux et se renversant, et il peut aller plus loin.

Les expériences également indiquées aux petits groupes d'équipe elles n'avaient pas précédemment pu concevoir. Ils ont vu que le serpent a utilisé deux ondes en ondulant : une onde horizontale de grand-amplitude et neuf découverte, onde verticale de petit-amplitude.

Les ondes sont allées bord à bord et en haut et en bas en même temps, et les caractéristiques ont prouvé que l'onde verticale s'est attaquée deux fois au régime de l'horizontal. « C'est réellement, réellement bizarre, » a dit Socha. Ces doubles ondes ont été seulement découvertes dans un autre serpent, un Sidewinder, mais ses ondes s'attaquent à la même fréquence.

« Ce qui effectue réellement cette étude puissante est que nous pouvions avancer spectaculaire notre compréhension de la cinématique de glissement et notre capacité de modéliser le système, » a dit Yeaton. Le « vol de serpent est compliqué, et il est souvent délicat pour obtenir les serpents de coopérer. Et il y a beaucoup de complexités pour effectuer le précis modèle de calcul. Mais il est satisfying pour remonter toutes les pièces. »

« Pendant toutes ces années, je pense que j'ai vu près de mille glissements, » a indiqué Socha. « Il stupéfie toujours de voir chaque fois. Le voyant en personne, il y a quelque chose un peu différente à son sujet. Il est toujours choquant. Qu'exact cet animal fait-il ? Pouvant répondre aux questions j'ai eu depuis que j'étais un étudiant de troisième cycle, on, beaucoup d'ans après, est incroyablement satisfying. »

Socha crédite certains des éléments qui ont formé les expériences propres et simulées de glissement aux forces hors de son contrôle. L'occasion l'a abouti à l'arène d'intérieur de glissement : quelques années après que le centre d'arts de mousse se soit ouvert, Tanner Upthegrove, un technicien de medias pour l'institut pour la créativité, les arts, et la technologie, ou l'ICAT, demandé lui s'il avait jamais pensé à fonctionner dans le cube.

« Ce qui est le cube ? » il a demandé. Quand Upthegrove lui a montré l'espace, il a été parqueté. Il a semblé conçu pour les expériences de Socha.

Par certains côtés, il était. « Beaucoup de projets à ICAT ont employé la technologie de pointe du cube, un studio à la différence de tout autre dans le monde, pour indiquer cela qui ne pourrait pas normalement être vu, » ont dit Ben Knapp, directeur de fondation d'ICAT.

Les « scientifiques, techniciens, artistes, et les créateurs joignent des forces ici pour établir, produisent, et innovent des voies neuves d'approcher les défis les plus grands du monde. »

Dans un des projets décrits du centre, le « fuselage, pleins du temps, » des medias et des artistes visuels ont employé l'espace à la saisie de mouvement les mouvements de fuselage des danseurs pour un rendement d'immersif.

L'exploitation des danseurs des serpents, Socha pouvait tirer le meilleur du système de saisie de mouvement du cube. L'équipe pourrait déménager des appareils-photo autour, optimisant leur position pour le circuit du serpent.

Ils ont tiré profit du grillage en haut de l'espace pour positionner deux appareils-photo se dirigeant vers le bas, fournissant une vue rétrovisuelle du serpent, qu'ils n'avaient jamais pu faire avant.

Socha et Ross voient le potentiel pour que leur modèle 3D continue d'explorer le vol de serpent. L'équipe planification des expériences extérieures pour recueillir des caractéristiques de mouvement de plus longs glissements. Et un jour, ils espèrent croiser les limites de réalité biologique.

En ce moment, leur serpent virtuel de vol glisse toujours vers le bas, comme l'animal réel. Mais ce qui s'ils pourraient l'obtenir pour déménager de sorte qu'il commence réellement à monter ? Pour voler réellement ? Cette capacité pourrait potentiellement être établie dans les algorithmes des serpents robotisés, qui ont des applications passionnantes dans la recherche et les sauvent et la surveillance de catastrophe, Ross a dit.

Les « serpents sont juste si bons pour déménager par les environnements complexes, » a dit Ross. « Si vous pourriez ajouter cette modalité neuve, cela fonctionnerait non seulement dans un réglage naturel, mais dans un milieu urbain. »

« Par certains côtés, le tech de la Virginie est un moyeu pour le bureau d'études inspiré par bio, » a dit Socha. Les « études comme celle-ci fournissent non seulement l'analyse dans la façon dont la nature fonctionne, mais étendent le travail préparatoire pour le modèle inspiré par nature. L'évolution est le bricoleur créatif éventuel, et nous sommes excités pour continuer à découvrir les solutions de la nature aux problèmes comme celui-ci, extrayant le vol d'un cylindre branlant. »

Source:
Journal reference:

Yeaton, I. J., et al. (2020) Undulation enables gliding in flying snakes. Nature Physics. doi.org/10.1038/s41567-020-0935-4.