Как змеи могут «стоять», не имея конечностей
Ученые разгадали биологическую загадку: как змеям — особенно древесным змеям — удается удерживать в вертикальном положении такие большие части тела без конечностей. Эта работа может способствовать развитию робототехники, в частности, роботов, которые могут проползать через невероятно маленькие отверстия. Исследование опубликовано в журнале The Royal Society Interface.
Конечности настолько важны для большинства наземных животных, что остается загадкой, почему некоторые змеи не только эволюционировали, чтобы обходиться без них, но и процветали после этого. Очевидно, что отсутствие ног не повредило змеям, о чем свидетельствует тот факт, что некоторые из них, похоже, лучше стоят вертикально, чем многие четвероногие.
Профессор Гарварда Л. Махадеван понял, что удержание 70 процентов тела в вертикальном положении без опоры — это не только мышечная проблема, но и проблема равновесия. Для этого необходима замечательная проприоцептивная обратная связь — способность чувствовать, где находятся части тела. Чтобы исследовать, как змеи это делают, Махадеван собрал междисциплинарную команду.
«Для некоторых это может быть кошмаром, но мы проанализировали математически и физически скрытые физические процессы и стратегии управления, которые позволяют змеям бросать вызов гравитации», — сказал Махадеван.
Эта работа может оказаться применимой для змееподобных роботов, таких как тот, который НАСА продемонстрировало в качестве возможного исследователя Европы и других ледяных спутников. Команда надеется, что даже медицинские устройства смогут использовать полученные знания. «Сосредоточив управление там, где это важно, инженеры смогут научиться создавать машины, которые будут одновременно эффективными и устойчивыми», — сказал соавтор исследования Людвиг Хоффманн.
Способность подниматься перед ударом существует у всех подотряда змей, за исключением, возможно, морских змей, но именно древесные змеи развили это до совершенства для других целей. Одно дело — уметь подниматься вертикально, опираясь на дерево, но древесным змеям также необходимо уметь перебираться с ветки на ветку, поднимаясь и опускаясь. Для этого бурые древесные змеи, как и молодые питоны, могут удерживать в воздухе более двух третей своего тела.
Команда засняла на видео трех бурых древесных змей (Boiga irregularis) и одного кустарникового питона (Simalia amesthistina), карабкающихся между различными платформами, сделанными достаточно тонкими, чтобы змеи могли за них цепляться.
Камеры, способные детально наблюдать за змеевидными движениями, показали, что змеи не напрягают все свое тело, как можно было бы ожидать, а создают область у основания, от которого они поднимаются, где концентрируется сила мышц. Пока тело над этим «пограничным слоем» находится почти вертикально, гравитация не создает крутящего момента, то есть не тянет переднюю часть змеи вниз ни в каком направлении.
Само тело выполняет функцию предотвращения падения змеи прямо вниз. Однако это работает только до тех пор, пока змея сохраняет позу, которая заставила бы учителя этикета викторианской эпохи плакать от гордости. Поддержание этой стабильности в течение длительного времени на самом деле гораздо сложнее, чем простое поднятие большей части своего тела, как показало моделирование. «Именно стабильность ограничивает максимальную высоту в положении стоя», — заявляют авторы, хотя и признают, что для подтверждения этого необходимы дополнительные измерения.
Хотя с точки зрения мышечной системы пограничный слой является очень эффективным подходом, он основан на отличной проприоцепции, поскольку всякий раз, когда змея начинает падать в каком-либо направлении, ей необходимо это распознать и подтянуться. Авторы отмечают данные о том, что некоторые змеи могут удерживаться в вертикальном положении в темноте, что предполагает, что зрение может быть не столь важным.
Даже при достаточном равновесии змеям необходимо знать, какие мышцы нужно напрягать. Команда исследовала две математические модели того, как это можно сделать: одна использует локальное укрепление, а другая координирует работу всего тела. Теоретически, координация всего тела гораздо эффективнее с точки зрения затраченных усилий. Однако даже при такой эффективности постоянное покачивание, наблюдаемое у змей, когда их тело вытянуто дальше, чем они могут легко поддерживать, показывает, что эта операция непроста.