Advertencia: Esta página es una traducción de esta página originalmente en inglés. Tenga en cuenta ya que las traducciones son generadas por máquinas, no que todos traducción será perfecto. Este sitio Web y sus páginas están destinadas a leerse en inglés. Cualquier traducción de este sitio Web y su páginas Web puede ser imprecisa e inexacta en su totalidad o en parte. Esta traducción se proporciona como una conveniencia.

La ondulación antena aumenta estabilidad rotatoria en serpenteos del vuelo

Cuando la serpenteo del árbol de paraíso vuela a partir de un brazo alto a otro, su carrocería ondula con las ondas como cursive verde en una almohadilla en blanco del cielo azul.

Que el movimiento, ondulación antena, suceso en cada planeo hizo por las piezas de la familia de Chrysopelea, los únicos vertebrados desmembrados sabidos capaces de vuelo. Los científicos han conocido esto, pero lo tienen todavía explicarlo completo.

Por más de 20 años, Jake Socha, profesor en el departamento de la ingeniería biomédica y de los mecánicos en la tecnología de Virginia, ha intentado medir y modelar la biomecánica del vuelo de la serpenteo y contestar a preguntas sobre ellas, como el del papel funcional de la ondulación antena.

Para un estudio por naturaleza la física publicada, Socha montó a personas interdisciplinarias para desarrollar el primer modelo matemático contínuo, anatómico-exacto 3D de Chrysopelea paradisi en vuelo.

Las personas, que Shane incluido Ross, profesor en el Kevin T. Crofton Department de la ingeniería del espacio aéreo y de océano, e Isaac Yeaton, graduado doctoral reciente de la ingeniería industrial y el autor importante del papel, desarrolló el modelo 3D después de medir más de 100 planeos vivos de la serpenteo.

El modelo descompone en factores en frecuencias de ondular ondas, su dirección, las fuerzas que actúan en la carrocería, y la distribución en masa. Con él, los investigadores han ejecutado experimentos virtuales para investigar la ondulación antena.

En un equipo de esos experimentos, aprender porqué la ondulación es una parte de cada planeo, simularon qué suceso si no era -- apagándolo.

Cuando su serpenteo virtual del vuelo podría antena ondular no más, su carrocería comenzó a venirse abajo. La prueba, emparejada con los planeos simulados que guardaron las ondas de la ondulación el ir, confirmados la hipótesis de las personas: la ondulación antena aumenta estabilidad rotatoria en serpenteos del vuelo.

Las cuestiones del vuelo y del movimiento llenan el laboratorio de Socha. El grupo ha ajustado su trabajo sobre serpenteos del vuelo entre los estudios de cómo las ranas saltan del agua y se escabullen dando saltitos a través de ella, de cómo la sangre atraviesa insectos, y cómo los patos aterrizan en las charcas.

En parte, era importante para Socha sondar el papel funcional de la ondulación en planeos de la serpenteo porque sería fácil asumir que no tenía realmente uno.

Sabemos que las serpenteos ondulan por toda clase de razones y en toda clase de contextos locomotores. Ése es su programa básico. ¿Por programa, significo su programa de los nervios, muscular? -- están recibiendo instrucciones específicas: ahora encienda este músculo, fuego que muscle, encienden este músculo. Es antiguo.”

Jake Socha, profesor, departamento de la ingeniería biomédica y mecánicos, tecnología de Virginia

Va más allá de serpenteos. Esa configuración de crear ondulaciones es vieja. ¿Es muy posible que una serpenteo consigue en el aire, después él va, “qué yo hace? Soy una serpenteo. Ondulo. “”

Pero Socha creído allí era mucho más a él. En el vuelo de paraíso de la serpenteo del árbol, tan muchas cosas suceso inmediatamente, él son difíciles desenredarlos a simple vista. ¿Socha describió algunos pasos que ocurren con cada planeo? -- pasos que leyeron como intencional.

Primero, la serpenteo salta, generalmente curvando su carrocería en un “J-rizo” y originándose y fuera. Mientras que lanza, la serpenteo configura de nuevo su forma, sus músculos cambio para aplanar su carrocería fuera por todas partes pero la cola.

La carrocería se convierte en una “ala morphing” que produce fuerzas de la ascensional y de resistencia aerodinámica cuando los flujos de aire sobre ella, como ella aceleran hacia abajo bajo gravedad. Socha ha examinado estas propiedades aerodinámicas en estudios múltiples. Con aplanar viene la ondulación, pues la serpenteo envía ondas abajo de su carrocería.

Al inicio del estudio, Socha tenía una teoría para la ondulación antena que él explicó comparando dos tipos de aviones: Jumbos comparado con los aviones de combate. Los Jumbos se diseñan para la estabilidad y el comienzo a nivelar se retira en sus el propio cuando está perturbado, él dijo, mientras que desarrollo de los aviones de caza del mando.

¿Tan que la serpenteo sería?

“Es tiene gusto de un Jumbo grande, o es él naturalmente inestable?” Socha dijo. “Está esta ondulación potencialmente una manera de ella que se ocupa de estabilidad?”

Él creyó que la serpenteo estaría más bién un avión de combate.

Para funcionar con las pruebas que investigaban la importancia de la ondulación a la estabilidad, las personas se establecieron para desarrollar un modelo matemático 3D que podría producir planeos simulados. Pero primero, necesitaron medir y analizar qué serpenteos reales hacen al deslizarse.

En 2015, los datos cerco los investigadores de la captura de movimiento a partir de 131 planeos vivos hechos por el árbol de paraíso arrastran. Giraron el cubo, un teatro de la caja negra de la cuatro-historia en los artes del musgo centra, en una arena interior del planeo y utilizó sus 23 cámaras de alta velocidad para capturar el movimiento de las serpenteos mientras que saltaron a partir de 27 pies hacia arriba -- de un brazo de roble encima de una fuerza ascensional del scissor -- y deslizado hacia abajo a un árbol artificial abajo, o sobre la espuma suave circundante que acolchona a las personas establézcase en hojas para amortiguar sus desembarques.

Las cámaras apagaron la luz infrarroja, así que las serpenteos fueron marcadas con la cinta infrarrojo-reflexiva en 11 a 17 puntos a lo largo de sus carrocerías, permitiendo que el sistema de la captura de movimiento descubra su posición cambiante en un cierto plazo.

Encontrar el número de puntos de la medición ha sido dominante al estudio; en últimos experimentos, Socha marcó la serpenteo en tres puntos, después cinco, sino esos números no ofrecieron suficiente información. Los datos de menos puntos del vídeo ofrecieron solamente una comprensión basta, haciendo para la ondulación picada y de la inferior-fidelidad en los modelos resultantes.

Las personas encontraron un sweet spot en 11 a 17 puntos, que dieron datos de alta resolución. “Con este número, podríamos conseguir una representación lisa de la serpenteo, y exacta,” dijo a Socha.

Los investigadores continuaron construir el modelo 3D digitalizando y reproduciendo el movimiento de la serpenteo mientras que doblaban en mediciones que habían cerco previamente en la distribución en masa y la aerodinámica. Un experto en el modelado dinámico, Ross condujo el trabajo de Yeaton sobre un modelo contínuo por la inspiración de drenaje del trabajo en el movimiento de la nave espacial.

Él había trabajado con Socha para modelar serpenteos del vuelo desde 2013, y sus modelos anteriores trataron la carrocería de la serpenteo en piezas -- primero en tres porciones, como un enlace, un centro, y extremo, y entonces como manojo de eslabones. “Éste es primer que es contínuo,” dijo a Ross. “Es como una cinta. Es el más realista a este punto.”

En experimentos virtuales, el modelo mostró que la ondulación antena no sólo guardó la serpenteo de volcarse durante planeos, pero aumentó el horizontal y las distancias verticales viajaron.

Ross ve una analogía para la ondulación de la serpenteo en la barrena de un disco volador: el movimiento oscilante aumenta estabilidad y resultados rotatorios en un mejor planeo.

Ondulando, él dijo, la serpenteo puede compensar la fuerza ascensional y las fuerzas de resistencia aerodinámica que su carrocería aplanada produce, bastante que siendo abrumado por ellos y volando, y puede ir más lejos.

Los experimentos también reveladores a los detalles de las personas no habían podido previamente visualizar. Vieron que la serpenteo empleó dos ondas al ondular: una onda horizontal y haber descubierto nuevamente, onda vertical de la grande-amplitud de la pequeño-amplitud.

Las ondas fueron lado a echar a un lado y hacia arriba y hacia abajo al mismo tiempo, y los datos mostraron que la onda vertical fue dos veces al índice del horizontal. “Esto está realmente, realmente extraño,” dijo a Socha. Estas ondas dobles se han descubierto solamente en otra serpenteo, un Sidewinder, pero sus ondas van en la misma frecuencia.

“Qué hace realmente este estudio potente es que podíamos avance dramáticamente nuestra comprensión de la cinemática del planeo y nuestra capacidad de modelar el sistema,” dijo a Yeaton. El “vuelo de la serpenteo es complicado, y es a menudo difícil conseguir las serpenteos cooperar. Y hay muchas complejidades para hacer el exacto modelo de cómputo. Pero es satisfactorio poner todos los pedazos juntos.”

“En todos estos años, pienso que he visto cerca de mil planeos,” dijo a Socha. “Todavía está sorprendiendo para ver cada vez. Viéndolo personalmente, hay algo un poco diferente sobre él. Sigue siendo impactante. ¿Qué este animal está haciendo exactamente? Pudiendo contestar a las preguntas he tenido desde que era estudiante de tercer ciclo, muchos, muchos años más tarde, soy increíblemente satisfactorio.”

Socha ingriesa en cuenta algunos de los elementos que dieron forma los experimentos reales y simulados del planeo a las fuerzas de su mando. La ocasión lo llevó a la arena interior del planeo: algunos años después de que el centro de los artes del musgo se abriera, Tanner Upthegrove, ingeniero de los ambientes para el instituto para la creatividad, artes, y tecnología, o ICAT, preguntado le si él había pensado nunca en el trabajo en el cubo.

“Cuál es el cubo?” él pidió. Cuando Upthegrove le mostró el espacio, lo solaron. Parecía diseñado para los experimentos de Socha.

En cierto modo, era. “Muchos proyectos en ICAT utilizaron la tecnología avanzada del cubo, un estudio a diferencia de cualquier otro en el mundo, para revelar el que no podría ser vista normalmente,” dijeron a Ben Knapp, el director de fundación de ICAT.

Los “científicos, ingenieros, artistas, y los proyectistas ensamblan fuerzas aquí para construir, crean, e innovan las nuevas maneras de enfocar los retos más magníficos del mundo.”

En uno de los proyectos ofrecidos del centro, la “carrocería, completas del tiempo,” de los ambientes y de los artistas visuales utilizaron el espacio a la captura de movimiento los movimientos de la carrocería de los bailarines para un funcionamiento immersive.

El comercio de los bailarines para las serpenteos, Socha podía hacer el sistema de la captura del movimiento la mayor parte del cubo. Las personas podrían mover cámaras alrededor, optimizando su posición para el camino de la serpenteo.

Se aprovecharon de la celosía en la cima del espacio para colocar dos cámaras que apuntaban hacia abajo, ofreciendo una opinión de arriba la serpenteo, que nunca habían podido hacer antes.

Socha y Ross ven el potencial para que su modelo 3D continúe el explorar de vuelo de la serpenteo. Las personas están proyectando experimentos exteriores para recopilar datos del movimiento de planeos más largos. Y un día, esperan cruzar los límites de la realidad biológica.

Ahora, su serpenteo virtual del vuelo se desliza siempre hacia abajo, como el animal real. ¿Pero qué si podrían conseguirlo para moverse de modo que comenzara real a subir? ¿Para volar realmente? Esa capacidad se podría potencialmente incorporar a los algoritmos de las serpenteos robóticas, que tienen usos emocionantes en búsqueda y los rescatan y la supervisión del desastre, Ross dijo.

Las “serpenteos son apenas tan buenas en la mudanza a través de ambientes complejos,” dijo a Ross. “Si usted podría agregar esta nueva modalidad, trabajaría no sólo en una fijación natural, pero en un ambiente urbano.”

“En cierto modo, la tecnología de Virginia es un cubo para la ingeniería bio-inspirada,” dijo a Socha. Los “estudios como éste no sólo ofrecen discernimiento en cómo la naturaleza trabaja, pero ponen la base para el diseño inspirado por naturaleza. La evolución es el chapista creativo final, y nos excitan para continuar descubrir las soluciones de la naturaleza a los problemas como éste, extrayendo vuelo de un cilindro que menea.”

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.