Når sandslidende slanger opfører sig som lysbølger

Ørkenslanger, der glider hen over sandet om natten, kan støde på forhindringer som planter eller kviste, der ændrer deres rejseretning. Mens du studerer den bevægelse for at lære, hvordan dyr uden lemmer kontrollerer deres kroppe i sådanne miljøer, forskere opdagede, at slanger, der kolliderer med disse forhindringer, efterligner aspekter af lette eller subatomære partikler, når de støder på et diffraktionsgitter.

Effekten af ​​denne "mekaniske diffraktion" gjorde det muligt for forskere at observere, hvordan slangernes bane blev ændret gennem passive mekanismer styret af skelet- og muskeldynamikken i dyrenes udbredende kropsbølger. Forskerne studerede levende slanger, da de gled gennem en forhindring bestående af seks kraftfølsomme stive pløkke, der spændte dyrenes kroppe, ændre deres veje på forudsigelige måder.

Resultaterne, beskrevet 25. februar i journalen Proceedings of the National Academy of Sciences , indikerer, at de vestlige skovlnæsede slanger (Chionactis occipitalis) ikke bevidst ændrer retning, når de støder på forhindringer, mens de suser over sandet. At forstå bevægelsen af ​​disse lemmerløse dyr kan hjælpe ingeniører med at forbedre kontrollen af ​​autonome eftersøgnings- og redningsrobotter designet til at operere på sand, græs og andre komplekse miljøer.

"Idéen bag passiv dynamik er, at der er bølgeformsændringer, der foretages af dyret, som udelukkende er drevet af deres kroppes passive egenskaber, " sagde Perrin Schiebel, en nylig ph.d. kandidat fra School of Physics ved Georgia Institute of Technology. "I stedet for at sende et signal om at aktivere en muskel, det er samspillet mellem slangernes kroppe og det ydre miljø, der forårsager formændringen. Forhindringernes kræfter skubber slangekroppene til en ny form."

Den farverige skovlnæsede slange bruger normalt en sinusformet S-formet bølge til at bevæge sig hen over ørkenerne i det sydvestlige USA. At løbe ind i stive pløkker i et laboratoriemiljø fører det ikke til aktivt at ændre den bølgeform, som Schiebel og kolleger undersøgte ved hjælp af højhastighedsvideokameraer med otte forskellige dyr.

I en undersøgelse støttet af National Science Foundation, Hærens forskningskontor, Defence Advanced Projects Agency, og et National Defense Science and Engineering Graduate Fellowship, forskerne brugte 253 slangeture til at opbygge et diffraktionsmønster. Bemærkelsesværdigt, mønsteret afslørede også, at spredningsretningerne var "kvantiseret", således at sandsynligheden for at finde en slange bag arrayet kunne repræsenteres i et mønster, der efterligner bølgeinterferens. En beregningsmodel var i stand til at fange mønsteret, demonstrerer, hvordan slangernes retning ville blive ændret ved forhindringsmøder via passiv kropsbukning.

"Et problem med robotter, der bevæger sig i den virkelige verden, er, at vi endnu ikke har principper, som vi kan bruge til at forstå, hvordan man bedst styrer disse robotter på granulære overflader som sand, bladstrøelse, murbrokker eller græs, " sagde Daniel Goldman, en Dunn familieprofessor ved Georgia Tech's School of Physics. "Punkten med denne undersøgelse var at forsøge at forstå, hvordan lemmerløse lokomotorer, som har lange kroppe, der kan bøjes på interessante måder ved hjælp af potentielt komplicerede neuromekaniske kontrolsystemer, formår at bevæge sig gennem kompliceret terræn."

Slangeeksperimentet blev foreslået af en robotundersøgelse udført af postdoktor Jennifer Rieser, der fandt lignende adfærd blandt robotter, der stødte på forhindringer.

"Roboten har en tendens til at have aspekter, der efterligner træk ved den subatomære verden - kvanteverdenen, Goldman forklarede. "Når den kolliderer med barrierer, en robot forplanter sig gennem disse barrierer ved hjælp af bølger af kropsbøjning. Dens bane afviger, når den forlader barriererne, og mange gentagne forsøg afslører et "klumpet" spredningsmønster, analogt med eksperimenter. Vi indså, at vi kunne bruge dette overraskende og smukke fænomen, klassisk fysik, men med selvfremdrift en nøglefunktion, som et spredningseksperiment for at undersøge det kontrolskema, som slangerne brugte."

Eksperimentelt, forskerne brugte en "slangearena" dækket med shag-tæppe til at efterligne sand. Undergraduate studerende Alex Hubbard og Lillian Chen frigav slangerne en ad gangen i arenaen og opmuntrede dem til at glide gennem gitteret.

Ørkenslangernes øjne er naturligt dækket af skæl for at beskytte dem. Forskerne brugte børns ansigtsmaling til midlertidigt at "binde for øjnene" dyrene, så de ikke blev distraheret af forskerne. Malingen skadede ikke dyrene.

"Når vi sætter slangerne ned i arenaen, de begyndte at bevæge sig med den samme bølgeform, som de bruger på ørkensand, " forklarede Schiebel. "De ville så støde på dyvelristen, gå igennem det, og fortsæt på den anden side stadig med den bølgeform."

I stedet for at fortsætte med at rejse gennem arenaen i en lige linje, slangerne ville komme ud i en anden vinkel, selvom de ikke greb posterne eller brugte dem til at hjælpe deres bevægelse. Schiebel arbejdede sammen med Zeb Rocklin, en Georgia Tech assisterende professor i fysik, at modellere retningsændringerne. Modellen viste, hvordan simple vekselvirkninger mellem slangernes bølgemønster og gitteret producerer mønstre af foretrukne spredningsretninger.

"Vi tror, ​​at slangen i det væsentlige opererer i en model, som kontrolingeniører ville betragte som 'åben sløjfe', " sagde Goldman. "Den sætter et bestemt motorisk program på sin krop, som genererer det karakteristiske bølgemønster, og når den kolliderer med forhindringen, dens kropsmekanik tillader den at deformere og flytte stolperne uden at forringe dens hastighed."

Goldman mener, at arbejdet kan hjælpe udviklere af slangelignende robotter med at forbedre deres kontrolordninger.

"Vi tror, ​​at vores opdagelser af den passive dynamiks rolle i slangen kan lette nye slangerobotdesigns, der vil sætte dem i stand til at bevæge sig gennem komplekse miljøer mere flydende, " sagde han. "Målet ville være at bygge eftersøgnings- og redningsrobotter, der kan komme ind i disse komplekse miljøer og hjælpe førstehjælpere."

Og som en bonus, Goldman sagde, "Vi finder ud af, at rigdommen af ​​interaktioner mellem selvkørende systemer som slanger og robotter med deres omgivelser er fascinerende set ud fra et 'aktivt stof'-fysik."