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O undulation aéreo aumenta a estabilidade rotatória em serpentes do vôo

Quando a serpente da árvore de paraíso voar de um ramo alto a outro, suas ondinhas do corpo com as ondas como cursivo verde em uma almofada vazia do céu azul.

Que o movimento, undulation aéreo, acontece em cada deslize fez por membros da família de Chrysopelea, os únicos animais vertebrados limbless conhecidos capazes do vôo. Os cientistas conheceram este, mas têm-no explicá-lo ainda inteiramente.

Por mais de 20 anos, Jake Socha, um professor no departamento da engenharia biomedicável e dos mecânicos na tecnologia de Virgínia, procurou medir e modelar a biomecânica do vôo da serpente e responder a perguntas sobre elas, como aquela do papel funcional do undulation aéreo.

Para um estudo por natureza a física publicada, Socha montou uma equipe interdisciplinar para desenvolver em vôo o primeiro modelo 3D matemático contínuo, anatômico-exacto de Chrysopelea paradisi.

A equipe, que Shane incluído Ross, um professor no Kevin T. Crofton Departamento da engenharia do espaço aéreo e de oceano, e Isaac Yeaton, um graduado doutoral recente da engenharia mecânica e autor principal do papel, desenvolveu o modelo 3D após ter medido mais de 100 deslizes vivos da serpente.

O modelo fatora nas freqüências de ondular ondas, seu sentido, forças que actuam no corpo, e a distribuição em massa. Com ele, os pesquisadores executaram experiências virtuais para investigar o undulation aéreo.

Em um grupo daquelas experiências, para aprender porque o undulation é uma parte de cada deslize, simularam o que aconteceria se não era -- desligando o.

Quando sua serpente virtual do vôo poderia já não aèrea se ondular, seu corpo começou a cair. O teste, emparelhado com os deslizes simulados que mantiveram as ondas do undulation ir, confirmados a hipótese da equipe: o undulation aéreo aumenta a estabilidade rotatória em serpentes do vôo.

As perguntas do vôo e do movimento enchem o laboratório de Socha. O grupo coube seu trabalho em serpentes do vôo entre estudos de como as rãs pulam da água e fugem aos saltos através dela, de como o sangue corre através de insectos, e como os pactos aterram em lagoas.

Na parte, era importante para Socha sondar o papel funcional do undulation em deslizes da serpente porque seria fácil supr que não teve realmente um.

Nós sabemos que as serpentes se ondulam para todos os tipos das razões e em todos os tipos de contextos locomotores. Aquele é seu programa básico. Pelo programa, eu significo seu programa neural, muscular? -- estão recebendo instruções específicas: despeça este músculo agora, incêndio que muscle, despedem este músculo. É antigo.”

Jake Socha, professor, departamento da engenharia biomedicável e mecânicos, tecnologia de Virgínia

Vai além das serpentes. Esse teste padrão de criar undulations é velho. É bastante possível que uma serpente obtem no ar, a seguir ele vai, “que mim faz? Eu sou uma serpente. Eu ondulo-me. “”

Mas Socha acreditado lá era-lhe muito mais. Durante todo o vôo da serpente da árvore de paraíso, tão muitas coisas acontecem imediatamente, ele são difíceis desembaraçá-los com o olho nu. Socha descreveu algumas etapas que ocorrem com cada deslize? -- etapas que leram como intencional.

Primeiramente, a serpente salta, geralmente curvando seu corpo em um “J-laço” e saltando acima e para fora. Enquanto se lança, a serpente reconfigura sua forma, seus músculos que deslocam para aplainar para fora seu corpo em toda parte mas a cauda.

O corpo transforma-se “uma asa morphing” que produza forças do elevador e de arrasto quando os fluxos de ar sobre ela, como ela aceleram para baixo sob a gravidade. Socha examinou estas propriedades aerodinâmicas em estudos múltiplos. Com aplainar vem o undulation, porque a serpente envia ondas abaixo de seu corpo.

No princípio do estudo, Socha teve uma teoria para o undulation que aéreo explicou comparando dois tipos de aviões: enorme - jatos contra aviões de combate. Enorme - os jatos são projectados para a estabilidade e começam nivelar para trás para fora no seus próprios quando molestados, disse ele, visto que desenrolamento dos combatentes do controle.

Assim que a serpente seria?

“É gosta de um jumbo grande - jato, ou é ele naturalmente instável?” Socha disse. “É este undulation potencial uma maneira dele que trata a estabilidade?”

Acreditou que a serpente seria mais como um avião de combate.

Para executar os testes que investigam a importância do undulation à estabilidade, a equipe exps para desenvolver um modelo 3D matemático que poderia produzir deslizes simulados. Mas primeiramente, eles necessários para medir e analisar que serpentes reais fazem ao deslizar.

Em 2015, os dados recolhidos pesquisadores da captação de movimento de 131 deslizes vivos feitos pela árvore de paraíso serpenteiam. Giraram o cubo, um teatro da caixa negra da quatro-história nas artes do musgo centra-se, em uma arena interna do deslize e usou suas 23 câmeras de alta velocidade para capturar o movimento das serpentes enquanto saltaram de 27 pés acima -- de um ramo de carvalho sobre um elevador do scissor -- e deslizado para baixo a uma árvore artificial abaixo, ou na espuma macia circunvizinha que acolchoa a equipe expor nas folhas para amortecer suas aterragens.

Câmeras a luz infra-vermelha para fora posta as serpentes, assim que foi identificada por meio da fita infravermelho-reflexiva em 11 a 17 pontos ao longo de seus corpos, permitindo que o sistema da captação de movimento detecte sua posição em mudança ao longo do tempo.

Encontrar o número de pontos da medida foi chave ao estudo; em experiências passadas, Socha marcou a serpente em três pontos, a seguir cinco, mas aqueles números não forneceram bastante informação. Os dados de menos pontos do vídeo forneceram somente uma compreensão grosseira, fazendo para o undulation agitado e da baixo-fidelidade nos modelos resultantes.

A equipe encontrou um ponto doce em 11 a 17 pontos, que deram dados de alta resolução. “Com este número, nós poderíamos obter uma representação lisa da serpente, e exacta,” disse Socha.

Os pesquisadores foram sobre construir o modelo 3D digitando e reproduzindo o movimento da serpente ao dobrar-se nas medidas que tinham recolhido previamente na distribuição em massa e na aerodinâmica. Um perito na modelagem dinâmica, Ross guiou o trabalho de Yeaton em um modelo contínuo pela inspiração desenhando do trabalho no movimento da nave espacial.

Tinha trabalhado com Socha para modelar serpentes do vôo desde 2013, e seus modelos precedentes trataram o corpo da serpente nas peças -- primeiramente em três porções, como um tronco, um meio, e uma extremidade, e então como um grupo das relações. “Este é primeiro que é contínuo,” disse Ross. “É como uma fita. É o mais realístico a este ponto.”

Em experiências virtuais, o modelo mostrou que o undulation aéreo mantido não somente a serpente da derrubada sobre durante deslizes, mas aumentou o horizontal e as distâncias verticais viajaram.

Ross vê uma analogia para o undulation da serpente na rotação de um frisbee: o movimento reciprocando aumenta a estabilidade e resultados rotatórios em um deslize melhor.

Ondulando, disse ele, a serpente pode equilibrar para fora o elevador e forças que de arrasto seu corpo aplainado produz, um pouco do que sendo oprimido por eles e ruindo, e pode ir mais.

As experiências igualmente reveladas aos detalhes da equipe não tinham podido previamente visualizar. Viram que a serpente empregou duas ondas ao se ondular: uma onda horizontal da grande-amplitude e descoberta recentemente, onda vertical da pequeno-amplitude.

As ondas foram lado a tomar partido e para cima e para baixo ao mesmo tempo, e os dados mostraram que a onda vertical foi duas vezes na taxa da horizontal. “Isto é realmente, realmente freaky,” disse Socha. Estas ondas dobro foram descobertas somente outra em uma serpente, um sidewinder, mas suas ondas vão na mesma freqüência.

“O que faz realmente este estudo poderoso é que nós podíamos avançar dramàtica nossa compreensão da cinemática do deslize e nossa capacidade modelar o sistema,” disse Yeaton. Da “o vôo serpente é complicado, e é frequentemente complicado conseguir as serpentes cooperar. E há muitos intricados para fazer o exacto modelo computacional. Mas é satisfying unir todas as partes.”

“Em todos estes anos, eu penso que eu vi perto de mil deslizes,” disse Socha. “Ainda está surpreendendo para ver todas as vezes. Vendo o pessoalmente, há algo um pouco de diferente sobre ele. É chocante ainda. Que exactamente este animal está fazendo? Podendo responder às perguntas eu tive desde que eu era um aluno diplomado, muitos, muitos anos mais tarde, sou incredibly satisfying.”

Socha credita alguns dos elementos que deram forma às experiências reais e simuladas do deslize às forças fora de seu controle. A possibilidade conduziu-o à arena interna do deslize: alguns anos depois que o centro das artes do musgo abriu, o curtidor Upthegrove, um coordenador dos media para o instituto para a faculdade criadora, as artes, e a tecnologia, ou o ICAT, perguntaram-lhe se tinha pensado nunca sobre o trabalho no cubo.

“O que é o cubo?” pediu. Quando Upthegrove lhe mostrou o espaço, foi pavimentado. Pareceu projetado para as experiências de Socha.

De certa forma, era. “Muitos projectos em ICAT usaram a tecnologia avançada do cubo, um estúdio ao contrário de qualquer outro no mundo, para revelar aquele que não poderia normalmente ser visto,” disseram Ben Knapp, director fundando de ICAT.

Os “cientistas, coordenadores, artistas, e os desenhistas juntam-se a forças aqui para construir, criam, e inovam maneiras novas de aproximar os desafios os mais grandes do mundo.”

Em um dos projectos caracterizados do centro, o “corpo, completos do tempo,” dos media e de artistas visuais usaram o espaço à captação de movimento os movimentos do corpo dos dançarinos para um desempenho immersive.

Trocar dançarinos para serpentes, Socha podia fazer o a maioria do sistema da captação de movimento do cubo. A equipe poderia mover câmeras ao redor, aperfeiçoando sua posição para o trajecto da serpente.

Aproveitaram-se da treliça na parte superior do espaço para posicionar duas câmeras que apontam para baixo, fornecendo uma opinião aérea a serpente, que tinham podido nunca fazer antes.

Socha e Ross vêem o potencial para que seu modelo 3D continue a explorar o vôo da serpente. A equipe está planeando experiências exteriores recolher dados do movimento de uns deslizes mais longos. E um dia, esperam cruzar os limites da realidade biológica.

Agora, sua serpente virtual do vôo desliza sempre para baixo, como o animal real. Mas que se poderiam o conseguir se mover de modo que começasse realmente ir acima? Para voar realmente? Essa capacidade poderia potencial ser construída nos algoritmos das serpentes robóticos, que têm aplicações emocionantes na busca e as salvam e na monitoração do desastre, Ross disse.

As “serpentes são apenas tão boas em mover-se através dos ambientes complexos,” disse Ross. “Se você poderia adicionar esta modalidade nova, trabalharia não somente em um ajuste natural, mas em um ambiente urbano.”

“De certa forma, a tecnologia de Virgínia é um cubo para a engenharia bio-inspirada,” disse Socha. Os “estudos como este não somente para fornecer a introspecção em como a natureza trabalha, mas colocam o fundamento para o projecto inspirado por natureza. A evolução é o tinkerer criativo final, e nós somos entusiasmado continuar a descobrir as soluções da natureza aos problemas como este, extraindo o vôo de um cilindro contorcendo-se.”

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.