Змеи «рассеиваются» на препятствиях подобно свету

Ученые исследовали характер движения западной лопатоносой змеи при проползании сквозь ряд вертикальных препятствий. Оказалось, что в таком случае волнообразные колебания тела змеи испытывают механическую дифракцию, и авторы сравнивают это с рассеянием электромагнитных волн. Результаты помогут построить лучше адаптированных к пересеченной местности роботов. Статья опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Лишенные конечностей животные, большинство из которых являются змеями, населяют большинство наземных сред обитания. Форма тела, которую змеи приобретают во время движения, может значительно различаться между видами. Также во многих случаях остаются неизвестными физические параметры многих материалов, образующие естественные поверхности, по которым движутся змеи. Все это значительно затрудняет понимание эффективных стратегий перемещения как в случае реальных змей, так и в плане роботов со схожим строением. В результате многие аспекты, в частности взаимодействие животных без конечностей с непредвиденными препятствиями, остаются плохо изученными.

Змеи способны скользить по огромному множеству различных типов поверхностей, что делает их интересным примером для подражания в робототехнике. «Современные роботы очень хороши, если окружающая обстановка действительно проста, но в случае сложных сред, например реального мира с ветками, опавшей листвой и песком, их эффективность быстро снижается, — говорит один из авторов работы Дэниэл Голдман из Технологического института Джорджии в США. — Если мы применим некоторые принципы, по которым живые системы управляют телами без конечностей, то в будущем роботы смогут перемещаться в любой среде».

В предыдущих исследованиях ученые выяснили, что простые извивающиеся змееподобные роботы в случае столкновения с препятствием испытывают аналог преломления и после прохождения препятствия начинают двигаться под углом к исходному направлению. В новой работе ученые решили изучить поведение змей в похожих условиях. В экспериментах использовались обитающие в США западные лопатоносые змеи Chionactis occipitalis, так как они используют для перемещения достаточно простые волнообразные движения от головы к хвосту. Восемь животных с завязанными глазами должны были проползти сквозь ряд установленных вертикально препятствий небольшого диаметра, а высокоскоростная камера фиксировала их движения.

Оказалось, что динамика взаимодействия змей с препятствиями удивительно похожа на рассеяние фотонов на дифракционной решетке. При рассеянии квантовой частицы на регулярно расположенных препятствиях вероятность ее обнаружения за ними будет зависеть от угла. Подобная ситуация наблюдалась и в случае животных, что удивило авторов работы. Еще одним открытием стало доказательство пассивной динамики движения змей. Эксперименты показали, что животные не полагаются на нервную систему, а соприкосновение с препятствием локально меняет мышечную активность, из-за чего волнообразное движение деформируется, но средняя скорость движения всей змеи остается постоянной. Авторы намерены воспользоваться полученными знаниями при построении новых роботов.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.