Суперсила пригодилась гекконам для приземления после прыжка
Биологи из США выяснили, зачем гекконам такой большой запас прочности по «прилипанию» к поверхностям. Если геккон сидит на ровной вертикальной стене, силы адгезии его лапок достаточно, чтобы удержать в сто раз больший вес. Однако если геккон в своей естественной среде обитания прыгнет и приземлится на лист дерева, этот запас ему очень пригодится. Ученые смоделировали прыжок геккона и рассчитали, что в реальной ситуации силы адгезии едва хватит на то, чтобы зацепиться при приземлении. Научная статья с расчетами опубликована в журнале Journal of The Royal Society Interface.
Гекконы обладают уникальной способностью удерживаться на отвесных поверхностях благодаря особому устройству лапок. Подушечки на лапках гекконов покрыты микроволосками и крючками, которые взаимодействуют с поверхностью посредством сил Ван-дер-Ваальса. На идеально ровных поверхностях, таких как стекло и акрил, сила сцепления превышает силу, необходимую чтобы удержать вес геккона, на несколько порядков. Этот факт удивляет инженеров, но не биологов, которые представляют себе, что в естественных условиях обитания гекконы вынуждены передвигаться по гораздо менее ровным поверхностям.
Чтобы оценить, с какими испытаниями приходится сталкиваться гекконам в характерной для них экологической нише, один из авторов работы проводил полевые испытания в лесах французской Гвианы (Южная Америка). Объектом его исследования стал репохвостый геккон Thecadactylus rapicauda. Эти ящерицы обитают в лесном пологе и, спасаясь от хищников, прыгают с того места, где сидели, а затем в свободном падении цепляются за листья или веточки. Исследователи были свидетелями тому, как геккон успешно приземлялся на лист дерева, пролетев 15 метров.
Ученые предположили, что мощный адгезионный аппарат развился у гекконов в процессе эволюции в похожих условиях, и решили подсчитать, какую нагрузку испытывают лапки репохвостого геккона при приземлении из свободного падения. Авторы учли максимум факторов – вес животных, аэродинамику падения, углы, под которыми геккон цепляется за листья, упругость веточек. Симуляция полетов показала, что, если в покое на ровной поверхности фактор сцепления равен 100, то при приземлении из прыжка он варьирует от 10 до значения меньше единицы, то есть геккону едва хватает сил, чтобы удержать свой вес там, где он пытается зацепиться.
Благодаря своим лапкам гекконы любимы не только биологами, но и инженерами. Прототипы устройств, имитирующих лапки, постоянно совершенствуются, однако исследователям пока не удалось достичь природного совершенства. Новая работа может помочь решить проблему удержания такими устройствами предметов в динамике, а также предметов с деформированной поверхностью. Одно из решений этой проблемы мы уже описывали – инженеры создали присоску, управляемую давлением, которая может захватывать широкий спектр предметов. Также мы рассказывали об искусственной «лапке геккона», которая открепляется от поверхности под действием ультрафиолета.
Дарья Спасская
Они нам кажутся почти в два раза легче своего реально веса
Исследователи из Великобритании предложили людям сравнить вес их собственных ладоней и грузов, подвешенных к рукам, чтобы выяснить, насколько верно люди оценивают массу своего тела и его частей. Проведенные эксперименты показали, что испытуемые сильно занижают вес собственных кистей — в одном из экспериментов он оказался на 49,4 процента ниже, чем реальный. Результаты опубликованы в Current Biology. Когда мы берем какой-то предмет, его ощущаемый вес связан с чувством усилия — величиной двигательных команд, которые направляются мышцам. За восприятие веса самого нашего тела и его частей тоже отвечает центральная нервная система, но нет конкретных сенсорных рецепторов, которые были бы в этом задействованы. Воспринимаемый вес тела может меняться из-за усталости, анестезии и других факторов. Пациенты, перенесшие инсульт с параличом конечности, часто жалуются на то, что конечность стала тяжелее. Протезы тоже кажутся людям более тяжелыми, хотя часто весят меньше реальной руки или ноги. Элиза Ферре (Elisa R. Ferrè) из Лондонского университета и ее коллеги решили выяснить, как люди воспринимают вес собственной кисти. В трех экспериментах участвовали 60 человек. До начала испытаний каждый участник опускал кисть левой руки, опирающейся на предплечье, на 30 секунд, чтобы оценить ее вес. Затем к уже лежащей на подушке руке крепили браслет, на который подвешивали грузы разной массы. Участники должны были сказать, что ощущалось тяжелее — кисть или груз. Грузом выступали пакетики с рисом, всего их было 16 штук, а их масса составляла от 100 до 600 грамм. В экспериментах ученые использовали психофизическую лестницу. Среднюю массу кисти, согласно ранее проведенным исследованиям, ученые взяли за 400 грамм. Первый подвешенный груз отличался на 200 грамм, то есть его масса составляла 200 либо 600 грамм — в зависимости от того, была лестница нисходящей или восходящей. Массу следующего груза выбирал алгоритм: если участник считал, что груз тяжелее ладони, следующий подвешенный груз был легче, и наоборот. Так спустя какое-то количество испытаний масса грузов начинала колебаться вокруг некоторой цифры — предполагаемой (участником) массы кисти. В первом эксперименте 20 участников просто сравнивали вес кисти и вес груза. Всего с ними провели три блока по 20 испытаний. В конце эксперимента ученые измерили реальную массу кистей участников, посчитав объем вытесненной рукой воды. Средняя масса кисти составила 327,9 грамм. Участникам, однако, казалось, что их кисть весит гораздо меньше: средний ощущаемый вес кисти оказался в среднем на 49,4 процента ниже, чем реальный, — то есть кисть, по мнению испытуемых, весила менее 200 грамм (p < 0,0001). Во втором эксперименте участвовало еще 20 человек. Теперь после серии испытаний ученые попросили людей в течение десяти минут делать упражнения с ручным тренажером, чтобы их кисть устала. Усталость люди оценивали по стобалльной шкале; до начала испытаний она составляла в среднем 10 баллов, а после упражнений — 70. И до, и после упражнений участники воспринимали свои ладони более легкими, чем есть на самом деле. Однако уставшая рука казалась им немного тяжелее, и ощущаемый вес был уже на 28,8 процента ниже реального (p < 0,01), по сравнению с 43,9 процента до упражнений (p < 0,0001). В третьем эксперименте другие 20 участников пытались взвесить свою руку и мешочки с рисом, однако теперь в каждом испытании они чувствовали поочередно и вес кисти, и вес груза. Независимо от того, что они взвешивали первым, рука все равно казалось им легче, чем она есть на самом деле — в среднем на 33,4 процента (p < 0,001) Исследователи предположили, что такое искажение восприятия, возможно, помогает нам сравнивать массы двух предметов, которые мы берем в обе руки. Если один предмет весит 400 грамм, а другой 500, и к ним добавляется еще и масса самих рук (около 3 килограмм), то распознать, что тяжелее, а что легче, будет сложно. Таким образом, перцептивное «вычитание» веса собственных конечностей может улучшить восприятие веса самих предметов. Также авторы считают, что занижение ощущаемого веса тела — механизм, который помогает нервной системе модулировать активность, или, наоборот, отдых. А воспринимаемый вес предметов можно изменить в виртуальной реальности. Например, если предмет движется медленнее, чем рука, он будет казаться немного тяжелее. А еще более тяжелыми виртуальные объекты станут, если надеть на запястья вибрирующие ремешки.