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L'ondulazione aerea migliora la stabilità rotazionale nei serpenti di volo

Quando il serpente dell'albero di paradiso vola da un ramo alto ad un altro, il suo organismo si increspa con le onde come il corsivo verde su un cuscinetto in bianco di cielo blu.

Che il movimento, ondulazione aerea, accade in ogni scivolata ha fatto dai membri della famiglia di Chrysopelea, i soli vertebrati limbless conosciuti capaci del volo. Gli scienziati hanno conosciuto questo, ma hanno ancora completamente spiegarlo.

Per più di 20 anni, Jake Socha, un professore nel dipartimento di assistenza tecnica biomedica e dei meccanici a tecnologia della Virginia, ha cercato di misurare e modellare la biomeccanica del volo del serpente e di rispondere alle domande circa loro, come quella del ruolo funzionale dell'ondulazione aerea.

Per uno studio di natura la fisica pubblicata, Socha ha montato un gruppo interdisciplinare per sviluppare in volo il primo modello matematico continuo e anatomico-accurato 3D di Chrysopelea paradisi.

Il gruppo, che Shane incluso Ross, un professore nel Kevin T. Crofton Department di assistenza tecnica di oceano e di spazio aereo ed Isaac Yeaton, un laureato di laurea recente dell'ingegneria meccanica e l'autore principale del documento, ha sviluppato il modello 3D dopo la misurazione delle più di 100 scivolate in tensione del serpente.

I fattori del modello nelle frequenze di ondeggiare le onde, la loro direzione, le forze che agiscono sull'organismo e distribuzione di massa. Con, i ricercatori hanno eseguito gli esperimenti virtuali per studiare l'ondulazione aerea.

In un insieme di quegli esperimenti, imparare perché l'ondulazione è una parte di ogni scivolata, hanno simulato che cosa sarebbe accaduto se non fosse -- spegnebbilo.

Quando il loro serpente virtuale di volo potrebbe più aereo non ondeggiare, il suo organismo ha cominciato a ruzzolare. La prova, accoppiata con le scivolate simulate che hanno tenuto le onde dell'ondulazione andare, confermate l'ipotesi del gruppo: l'ondulazione aerea migliora la stabilità rotazionale nei serpenti di volo.

Le domande del volo e del movimento riempiono il laboratorio di Socha. Il gruppo misura il loro lavoro sui serpenti di volo fra gli studi di come le rane saltano dall'acqua e zampettano attraverso, di come il sangue attraversa gli insetti e come le anatre sbarcano sugli stagni.

In parte, era importante a Socha sondare il ruolo funzionale dell'ondulazione nelle scivolate del serpente perché sarebbe stato facile da supporre che realmente non ha avuto uno.

Sappiamo che i serpenti ondeggiano per tutti i tipi di ragioni ed in tutti i tipi di contesti locomotori. Quello è il loro programma basale. Dal programma, significo il loro programma neurale e muscolare? -- stanno ricevendo le istruzioni specifiche: ora inforni questo muscolo, incendio che muscle, infornano questo muscolo. È antico.„

Jake Socha, il professor, dipartimento di assistenza tecnica biomedica e meccanici, tecnologia della Virginia

Va oltre i serpenti. Quel reticolo di creazione delle ondulazioni è vecchio. È molto possibile che un serpente entri nell'aria, quindi va, “che cosa io fa? Sono un serpente. Ondeggio. “„

Ma Socha creduto là era molto più a. In tutto il volo di paradiso del serpente dell'albero, tante cose accadono immediatamente, è difficili da districarli ad occhio nudo. Socha ha descritto alcuni punti che hanno luogo con ogni scivolata? -- punti che hanno letto come intenzionale.

In primo luogo, il serpente salta, solitamente curvando il suo organismo “in un J-ciclo„ e generandosi e fuori. Mentre lancia, il serpente modifica la sua forma, i sui muscoli che si spostano per appiattire il suo organismo fuori dappertutto ma la coda.

L'organismo si trasforma in “in un'ala morphing„ che produce le forze di resistenza e dell'ascensore quando le correnti d'aria sopra, come accelera verso il basso nell'ambito di gravità. Socha ha esaminato questi beni aerodinamici negli studi multipli. Con la spianatura viene l'ondulazione, poichè il serpente invia le onde giù il suo organismo.

All'inizio dello studio, Socha ha avuto una teoria per l'ondulazione che aerea ha spiegato confrontando due tipi di aerei: Jumbo-jet contro gli aerei da caccia. I Jumbo-jet sono progettati per la stabilità e l'inizio livellare si ritira da sè una volta perturbato, disse, mentre srotolamento dei combattenti di controllo.

Così che il serpente sarebbe?

“È gradisce un grande Jumbo-jet, o è naturalmente instabile?„ Socha ha detto. “È questa ondulazione potenzialmente un modo di che si occupa della stabilità?„

Ha creduto che il serpente fosse più simile ad un aereo da caccia.

Per eseguire le prove che studiano l'importanza dell'ondulazione alla stabilità, il gruppo ha precisato per sviluppare un modello matematico 3D che potrebbe produrre le scivolate simulate. Ma in primo luogo, hanno dovuto misurare ed analizzare che serpenti reali fanno quando scivola.

Nel 2015, i dati della cattura del movimento raccolti ricercatori da 131 scivolata in tensione fatta dall'albero di paradiso serpeggiano. Ha girato il cubo, un teatro della scatola nera di quattro-storia alle arti del muschio concentra, in un'arena dell'interno della scivolata ed ha usato le sue 23 macchine fotografiche ad alta velocità per catturare il moto dei serpenti mentre hanno saltato da 27 piedi su -- da un ramo di quercia in cima ad un ascensore di forbici -- e scivolato giù ad un albero artificiale qui sotto, o sulla schiuma molle circostante che riempie il gruppo precisi in lamiere sottili per attenuare i loro atterraggi.

Macchine fotografiche la luce infrarossa fuori messa, in modo dai serpenti è stata segnata con nastro adesivo infrarosso-riflettente su 11 - 17 punti lungo i loro organismi, permettendo che il sistema della cattura del movimento individui col passare del tempo la loro posizione cambiante.

L'individuazione del numero dei punti di misura è stata chiave allo studio; negli esperimenti passati, Socha ha tracciato il serpente a tre punti, quindi cinque, ma quei numeri non hanno fornito abbastanza informazioni. I dati da meno punti del video hanno fornito soltanto una comprensione grezza, portando all'ondulazione di basso fedeltà e increspata nei modelli risultanti.

Il gruppo ha trovato un punto dolce in 11 - 17 punti, che hanno dato i dati ad alta definizione. “Con questo numero, potremmo ottenere una rappresentazione regolare del serpente ed accurato,„ ha detto Socha.

I ricercatori hanno continuato a sviluppare il modello 3D digitalizzando e riproducendo il moto del serpente mentre profilatura nelle misure che precedentemente si erano raccolti su distribuzione di massa e sull'aerodinamica. Un esperto nella modellistica dinamica, Ross ha guidato il lavoro di Yeaton su un modello continuo tramite inspirazione d'estrazione da lavoro nel moto del veicolo spaziale.

Aveva lavorato con Socha per modellare i serpenti di volo dal 2013 ed i loro modelli precedenti hanno trattato l'organismo del serpente in parti -- in primo luogo in tre parti, come un circuito di collegamento, un mezzo ed estremità e poi come mazzo di collegamenti. “Questo è quello primo che è continuo,„ ha detto Ross. “È come un nastro. È il più realistico a questo punto.„

Negli esperimenti virtuali, il modello ha indicato che l'ondulazione aerea non solo ha tenuto il serpente dal ribaltare durante le scivolate, ma ha aumentato l'orizzontale e le distanze verticali hanno viaggiato.

Ross vede un'analogia per l'ondulazione del serpente nella rotazione di un frisbee: il moto alternativo aumenta la stabilità ed i risultati rotazionali in una migliore scivolata.

Ondeggiando, disse, il serpente può saldare fuori l'ascensore e forze che di resistenza il suo organismo appiattito produce, piuttosto che essendo sopraffacendo da loro e rovesciandosi e può da andare più avanti.

Gli esperimenti anche rivelatori ai dettagli del gruppo precedentemente non avevano potute visualizzare. Hanno veduto che il serpente ha impiegato due onde quando ondeggiano: un'onda orizzontale di gran-ampiezza e recentemente scoperta, onda verticale di piccolo-ampiezza.

Le onde sono andato lato da rivestire e su e giù allo stesso tempo ed i dati hanno indicato che l'onda verticale è andato due volte alla tariffa di quella orizzontale. “Questo è realmente, realmente pazzo,„ ha detto Socha. Queste doppie onde sono state scoperte soltanto in altro un serpente, un sidewinder, ma le sue onde vanno alla stessa frequenza.

“Che cosa realmente fa questo studio potente è che potevamo avanzare drammaticamente sia la nostra comprensione della cinematica della scivolata che la nostra capacità modellare il sistema,„ ha detto Yeaton. “Il volo del serpente è complicato ed è spesso complesso convincere i serpenti a cooperare. E ci sono molte difficoltà per fare l'accurato di modello di calcolo. Ma è soddisfacente un tutti i pezzi.„

“Durante tutti questi anni, penso che abbia veduto vicino ad mille scivolate,„ ha detto Socha. “Ancora sta stupendo per vedere ogni volta. Vedendolo in persona, c'è qualcosa un poco differente a questo proposito. È ancora scioccante. Che cosa questo animale sta facendo esattamente? Potendo rispondere alle domande ho avuto da quando ero un dottorando, molti, molti anni più successivamente, sono incredibilmente soddisfacente.„

Socha accredita alcuni degli elementi che hanno modellato gli esperimenti reali e simulati della scivolata alle forze dal suo controllo. La probabilità piombo lui all'arena dell'interno della scivolata: alcuni anni dopo che il centro di arti del muschio si è aperto, Tanner Upthegrove, un ingegnere di media per l'istituto per creatività, arti e tecnologia, o ICAT, chiesto lui se avesse pensato mai al lavoro nel cubo.

“Che cosa è il cubo?„ ha chiesto. Quando Upthegrove gli ha mostrato lo spazio, è stato pavimentato. È sembrato progettato per gli esperimenti di Socha.

Per alcuni versi, era. “Molti progetti a ICAT hanno usato la tecnologia avanzata del cubo, uno studio a differenza di qualsiasi altro nel mondo, per rivelare quello che non potrebbe essere veduto normalmente,„ hanno detto Ben Knapp, il Direttore fondante di ICAT.

“Gli scienziati, gli ingegneri, artisti ed i progettisti uniscono le forze qui per costruire, creano ed innovano nuovi modi avvicinarsi alle più grandi sfide del mondo.„

In uno dei progetti descritti del centro, “l'organismo, pieni di tempo,„ dei media e degli artisti visivi hanno usato lo spazio alla cattura del movimento i movimenti dell'organismo dei ballerini per una prestazione immersive.

Vendendo i ballerini con serpenti, Socha poteva fare il la maggior parte del sistema della cattura del movimento del cubo. Il gruppo potrebbe muovere le macchine fotografiche intorno, ottimizzando la loro posizione per il percorso del serpente.

Hanno approfittato dell'ingraticciatura alla cima dello spazio per posizionare due macchine fotografiche che indicano giù, fornente un punto di vista sopraelevato del serpente, che non avevano potute mai fare prima.

Socha e Ross vedono il potenziale affinchè il loro modello 3D continuino ad esplorare il volo del serpente. Il gruppo pianificazione gli esperimenti all'aperto per riunire i dati di moto dalle scivolate più lunghe. E l'un giorno, sperano di attraversare i limiti della realtà biologica.

Ora, il loro serpente virtuale di volo scivola sempre giù, come l'animale reale. Ma che cosa se potessero convincerlo per muoversi in modo che realmente cominci andare su? Per realmente volare? Quell'abilità potrebbe potenzialmente essere sviluppata negli algoritmi dei serpenti robot, che hanno applicazioni emozionanti nella ricerca e salvano e nel video di disastro, Ross ha detto.

“I serpenti sono appena così buoni a muoversi attraverso gli ambienti complessi,„ ha detto Ross. “Se poteste aggiungere questa nuova modalità, funzionerebbe non solo in una regolazione naturale, ma in un ambiente urbano.„

“Per alcuni versi, la tecnologia della Virginia è un hub per da assistenza tecnica ispirata da bio-,„ ha detto Socha. “Gli studi come questo non solo forniscono la comprensione in come la natura funziona, ma stendono il fondamento per progettazione ispirata di natura. L'evoluzione è l'ultimo stagnaio creativo e siamo eccitati per continuare a scoprire le soluzioni della natura ai problemi come questo, estraendo il volo da un cilindro wiggling.„

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.