Ny 3-D-model viser, hvordan paradistræslangen bruger luftbølger til at flyve

Når paradistræslangen flyver fra en høj gren til en anden, dens krop kruser med bølger som grøn kursiv på en blank pude af blå himmel. Den bevægelse, luftbølger, sker i hver glidning foretaget af medlemmer af Chrysopelea-familien, de eneste kendte lemmerløse hvirveldyr, der er i stand til at flyve. Forskere har vidst dette, men har endnu ikke helt forklaret det.

I mere end 20 år, Jake Socha, en professor i Institut for Biomedicinsk Teknik og Mekanik ved Virginia Tech, har forsøgt at måle og modellere slangeflyvningens biomekanik og besvare spørgsmål om dem, ligesom luftbølgens funktionelle rolle. For en undersøgelse udgivet af Naturfysik , Socha samlede et tværfagligt team for at udvikle den første kontinuerlige, anatomisk-nøjagtig 3-D matematisk model af Chrysopelea paradisi under flugt.

Holdet, som inkluderede Shane Ross, en professor i Kevin T. Crofton Department of Aerospace and Ocean Engineering, og Isaac Yeaton, en nyuddannet maskiningeniør doktorgrad og papirets hovedforfatter, udviklet 3-D-modellen efter at have målt mere end 100 levende slangeglidninger. Modellen faktorer i frekvenser af bølgende bølger, deres retning, kræfter, der virker på kroppen, og massefordeling. Med det, forskerne har kørt virtuelle eksperimenter for at undersøge luftbølger.

I et sæt af disse eksperimenter, for at lære hvorfor bølgedannelse er en del af hver glidning, de simulerede, hvad der ville ske, hvis det ikke var det – ved at slukke for det. Da deres virtuelle flyvende slange ikke længere kunne bølge sig fra luften, dens krop begyndte at vælte. Testen, parret med simulerede glider, der holdt bølgerne af bølger i gang, bekræftede holdets hypotese:luftbølger øger rotationsstabiliteten hos flyvende slanger.

Spørgsmål om flyvning og bevægelse fylder Sochas laboratorium. Gruppen har tilpasset deres arbejde med at flyve slanger mellem undersøgelser af, hvordan frøer springer fra vandet og skitter hen over det, hvordan blod strømmer gennem insekter, og hvordan ænder lander på damme. Delvis, det var vigtigt for Socha at undersøge undulationens funktionelle rolle i slangeglidninger, fordi det ville være let at antage, at det ikke rigtig havde en.

"Vi ved, at slanger bølger af alle mulige årsager og i alle former for bevægelsessammenhænge, " sagde Socha. "Det er deres basale program. Efter program, Jeg mener deres neurale, muskelprogram? - de modtager specifikke instruktioner:affyr denne muskel nu, fyr den muskel, affyre denne muskel. Det er gammelt. Det går ud over slanger. Det mønster med at skabe bølger er et gammelt. Det er meget muligt, at en slange kommer op i luften, så går det, 'Hvad skal jeg gøre? Jeg er en slange. jeg bølger.'"

Men Socha mente, at der var meget mere i det. Gennem paradistræets flugt, så mange ting sker på én gang, det er svært at løse dem med det blotte øje. Socha beskrev et par trin, der finder sted med hver glidning - trin, der lyder som tilsigtede.

Først, slangen hopper, sædvanligvis ved at krumme sin krop til en "J-løkke" og springe op og ud. Når den lanceres, slangen omkonfigurerer sin form, dens muskler skifter for at flade dens krop ud overalt undtagen halen. Kroppen bliver en "morphing vinge", der producerer løfte- og trækkræfter, når luften strømmer over den, da den accelererer nedad under tyngdekraften. Socha har undersøgt disse aerodynamiske egenskaber i flere undersøgelser. Med udfladningen følger bølget, som slangen sender bølger ned ad sin krop.

I begyndelsen af ​​undersøgelsen, Socha havde en teori for luftbølger, som han forklarede ved at sammenligne to typer fly:jumbojets versus jagerfly. Jumbojetfly er designet til stabilitet og begynder at flade ud igen af ​​sig selv, når de bliver forstyrret, han sagde, hvorimod krigere ruller ud af kontrol.

Så hvilken ville slangen være?

"Er det som en stor jumbojet, eller er det naturligt ustabilt?" sagde Socha. "Er denne bølgeform potentielt en måde at håndtere stabilitet på?"

Han troede, at slangen ville være mere som et jagerfly.

For at køre test, der undersøger bølgernes betydning for stabiliteten, holdet satte sig for at udvikle en 3-D matematisk model, der kunne producere simulerede glider. Men først, de havde brug for at måle og analysere, hvad rigtige slanger gør, når de glider.

I 2015, forskerne indsamlede motion capture-data fra 131 levende glideflyvninger lavet af paradistræslanger. De vendte terningen, et fire-etagers black-box-teater ved Moss Arts Center, ind i en indendørs glidearena og brugte sine 23 højhastighedskameraer til at fange slangernes bevægelse, mens de sprang fra 27 fod op - fra en egetræsgren på toppen af ​​en sakselift - og gled ned til et kunstigt træ nedenfor, eller på den omgivende bløde skumpolstring satte holdet ud i lagner for at afbøde deres landinger.

Kameraerne udsender infrarødt lys, så slangerne var markeret med infrarødt reflekterende tape på 11 til 17 punkter langs deres kroppe, gør det muligt for motion capture-systemet at registrere deres skiftende position over tid. At finde antallet af målepunkter har været nøglen til undersøgelsen; i tidligere eksperimenter, Socha markerede slangen på tre punkter, derefter fem, men disse tal gav ikke nok information. Dataene fra færre videopunkter gav kun en grov forståelse, sørger for hakkende og low-fidelity bølger i de resulterende modeller.

Holdet fandt et sweet spot i 11 til 17 point, hvilket gav data i høj opløsning. "Med dette nummer, vi kunne få en jævn repræsentation af slangen, og en præcis, sagde Socha.

Forskerne fortsatte med at bygge 3-D-modellen ved at digitalisere og gengive slangens bevægelse, mens de folde ind målinger, de tidligere havde indsamlet på massefordeling og aerodynamik. En ekspert i dynamisk modellering, Ross guidede Yeatons arbejde på en kontinuerlig model ved at hente inspiration fra arbejde i rumfartøjets bevægelse.

Han havde arbejdet sammen med Socha for at modellere flyvende slanger siden 2013, og deres tidligere modeller behandlede slangens krop i dele - først i tre dele, som en kuffert, en mellem, og en ende, og så som en masse links. "Dette er den første, der er kontinuerlig, " sagde Ross. "Det er som et bånd. Det er det mest realistiske til dette punkt."

I virtuelle eksperimenter, modellen viste, at luftbølger ikke kun forhindrede slangen i at vælte under glidning, men det øgede den vandrette og lodrette tilbagelagte afstand.

Ross ser en analogi for slangens bølgeform i en frisbees spin:den frem- og tilbagegående bevægelse øger rotationsstabiliteten og resulterer i et bedre glid. Ved at bølge, han sagde, slangen er i stand til at balancere de løfte- og trækkræfter, som dens fladtrykte krop frembringer, i stedet for at blive overvældet af dem og vælte, og det er i stand til at gå længere.

Eksperimenterne afslørede også for holdet detaljer, som de ikke tidligere havde været i stand til at visualisere. De så, at slangen brugte to bølger, når den bølgede:en horisontal bølge med stor amplitude og en nyopdaget, lodret bølge med mindre amplitude. Bølgerne gik side til side og op og ned på samme tid, og dataene viste, at den lodrette bølge gik med dobbelt hastighed af den vandrette. "Dette er virkelig, virkelig vildt, " sagde Socha. Disse dobbeltbølger er kun blevet opdaget i en anden slange, en sidewinder, men dens bølger går med samme frekvens.

"Det, der virkelig gør denne undersøgelse kraftfuld, er, at vi var i stand til dramatisk at fremme både vores forståelse af glide-kinematik og vores evne til at modellere systemet, " sagde Yeaton. "Slangeflyvning er kompliceret, og det er ofte svært at få slangerne til at samarbejde. Og der er mange forviklinger for at gøre beregningsmodellen nøjagtig. Men det er tilfredsstillende at sætte alle brikkerne sammen."

"I alle disse år, Jeg tror, ​​jeg har set tæt på tusinde glideture, " sagde Socha. "Det er stadig fantastisk at se hver gang. At se det personligt, der er noget lidt anderledes ved det. Det er stadig chokerende. Hvad laver dette dyr helt præcist? At kunne svare på de spørgsmål, jeg har haft, siden jeg var kandidatstuderende, mange, mange år senere, er utroligt tilfredsstillende."

Socha krediterer nogle af de elementer, der formede de virkelige og simulerede glideeksperimenter, til kræfter uden for hans kontrol. Tilfældigheder førte ham til den indendørs glidearena:et par år efter Moss Arts Center åbnede, Tanner Upthegrove, en medieingeniør for Institut for Kreativitet, kunst, og teknologi, eller ICAT, spurgte ham, om han nogensinde havde tænkt på at arbejde i terningen.

"Hvad er terningen?" spurgte han. Da Upthegrove viste ham pladsen, han var gulvbelagt. Det virkede designet til Sochas eksperimenter.

På nogle måder, det var. "Mange projekter hos ICAT brugte den avancerede teknologi fra kuben, et studie ulig noget andet i verden, at afsløre det, der normalt ikke kunne ses, " sagde Ben Knapp, den stiftende direktør for ICAT. "Forskere, ingeniører, kunstnere, og designere går sammen her for at bygge, skab, og innover nye måder at nærme sig verdens største udfordringer på."

I et af centrets fremhævede projekter, "Legeme, Fuld af Tid, " Medier og billedkunstnere brugte rummet til at fange danseres kropsbevægelser til en fordybende optræden. Handel med dansere for slanger, Socha var i stand til at få mest muligt ud af kubens motion capture-system. Holdet kunne flytte kameraer rundt, optimere deres position for slangens vej. De udnyttede gitterværket i toppen af ​​rummet til at placere to kameraer, der pegede nedad, giver et overblik over slangen, som de aldrig havde været i stand til før.

Socha og Ross ser potentialet for, at deres 3-D-model kan fortsætte med at udforske slangeflyvning. Holdet planlægger udendørs eksperimenter for at indsamle bevægelsesdata fra længere glid. Og en dag, de håber på at krydse grænserne for den biologiske virkelighed.

Lige nu, deres virtuelle flyvende slange glider altid ned, som det rigtige dyr. Men hvad nu hvis de kunne få det til at bevæge sig, så det rent faktisk ville begynde at gå op? For virkelig at flyve? Den evne kunne potentielt være indbygget i robotslangernes algoritmer, som har spændende applikationer inden for eftersøgning og redning og katastrofeovervågning, sagde Ross.

"Slanger er bare så gode til at bevæge sig gennem komplekse miljøer, " sagde Ross. "Hvis du kunne tilføje denne nye modalitet, det ville fungere ikke kun i naturlige omgivelser, men i et bymiljø."

"På nogle måder, Virginia Tech er et knudepunkt for bio-inspireret teknik, " sagde Socha. "Undersøgelser som denne giver ikke kun indsigt i, hvordan naturen fungerer, men lægger grunden til design inspireret af naturen. Evolution er den ultimative kreative tinder, og vi er glade for at fortsætte med at opdage naturens løsninger på problemer som denne, udtrækker flugt fra en vippende cylinder."