Ученые заставили паука прыгать с платформы на платформу

Ученые исследовали механику движений паука из семейства пауков-скакунчиков и выяснили, что для коротких и точных прыжков, которые в природе используются для охоты, паук использовал низкий и быстрый прыжок, требующий большого расхода энергии. В то же время, прыжки на большие расстояния паук выполнял более энергоэффективно, говорится в исследовании, опубликованном в Nature.

Прыжки — способ передвижения, при котором быстрое выпрямление конечностей обеспечивает импульс, достаточный для преодоления значительного расстояния по воздуху. Насекомые и пауки прыгают, используя разные механизмы: мышечную силу, пружинный механизм, гидравлическое давление. Механизмы гидравлического давления в ногах пауков известны уже давно, но используются ли они для усиления или замены мышечной силы при прыжке, до сих пор оставалось неизвестным.

Паучиха Ким, ставшая главным объектом исследования, относится к паукам-скакунчикам. Пауки из этого семейства прыгают, когда охотятся или убегают от хищников. Паутинную нить они используют для постройки гнезда, чтобы вывести там потомство, а также для страховки приклеивают ее к поверхности, с которой собираются совершить прыжок. Исследование прыжков проводилось для понимания механики прыжка и того, как паук меняет стратегию прыжка в зависимости от стоящей перед ним задачи.

Доктор Мостафа Набави (Mostafa R. A. Nabawy) и его коллеги из Манчестерского университета создали объемную модель ног и тела паука с помощью микротомографии с высоким разрешением. Модель помогла определить примерное местонахождение центра масс и увидеть подробности анатомии ног. Точное расположение центра масс может изменяться в зависимости от взаимного расположения ног и тела в пространстве.

Для эксперимента была разработана камера с двумя горизонтальными платформами, смещающимися вертикально и горизонтально относительно друг друга. Для эксперимента ученые отобрали крупных особей пауков Phidippus regius, но никто из них, кроме самки по кличке Ким, не стал прыгать, поэтому все полученные результаты работы относятся именно к этой особи. Паучиха весила 150 миллиграммов и была 15 миллиметров в длину.

Особь была способна прыгнуть на три длины своего тела при восходящем прыжке, на четыре без изменений высоты и на пять — при прыжке на более низкую платформу. Для уменьшения расстояния прыжка паук всегда начинал прыжок с края платформы, вытягивая третьи и четвертые пары ног так, что центр массы находится за краем платформы на момент отталкивания. В прыжке использовались и третья, и четвертая пары ног. Тело располагалось под разными углами для прыжков на разную длину и высоту. Положение тела было разным и в момент приземления в зависимости от места. Скорость при отталкивании от платформы менялась от 0,52 до 0,97 метров в секунду, а время прыжка от 18,1 до 31,6 миллисекунд. Для преодоления короткого расстояния Ким предпочитала быстрый прыжок с плоской траекторией. Такой прыжок требует больше энергии, но за счет скорости он более эффективен при броске во время охоты. Для длинных прыжков паук использовал наиболее энергетически эффективные траектории, уменьшая таким образом расход энергии.

Также причиной выбора траектории могут стать особенности зрения паука. У пауков-скакунчиков четыре больших глаза, но эти глаза неподвижны, они имеют узкие неперекрывающиеся поля зрения. Паук, возможно, не может позволить себе потерять из вида цель своего броска, что легко может случиться при навесной траектории.

Участвовавший паук Phidippus regius не прыгал на большие расстояния, характерные для некоторых других членистоногих, скорее всего потому, что этот вид охотится с помощью коротких быстрых прыжков, а причиной экстремально длинных прыжков, как правило, становится появление хищника. Возможно также, что паук не продемонстрировал все возможности своих ног по причине ограничения зрения или поведенческим мотивам — в эксперименте, напомним, участвовала всего одна особь.

Ученые пришли к выводу, что продемонстрированные прыжки легко могут быть реализованы только за счет работы мышц, тем более, что паук Phidippus regius использует при отталкивании две пары ног, а не только одну пару, как некоторые другие пауки. Таким образом, роль гидравлического давления в ногах этого вида по-прежнему остается неизвестной.

Бионика представляет большой интерес для создания разнообразных роботов. Авторы надеются, что это исследование поможет созданию гибких микро-роботов, которые смогут прыгать быстро и точно, как паук-скакунчик.

Исследования пауков бывают использованы в различных областях техники. Ранее, изучение окраски паука помогло улучшить высокоточную оптику, а яда — бороться с параличом. Невероятно быстрый паук открыл возможности для усовершенствования движений роботов, имеющих несколько точек опоры.

Александра Кочеткова