Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

Извивание помогло украшенным древесным змеям контролировать планирование

nature video / YouTube

Инженеры из США выяснили, что во время планирования змеи извиваются в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Полет украшенных древесных змей сняли с помощью технологии захвата движений и на основе параметров горизонтальной и вертикальной волн создали модель планирования. Оказалось, что горизонтальное извивание увеличивает стабильность и дальность полета, а еще помогает маневрировать. Авторы статьи, опубликованной в журнале Nature physics, предполагают, что на основе полученной модели можно создать летающую робозмею.

Украшенные древесные змеи из рода Chrysopelea — единственные безногие позвоночные, которые умеют летать (точнее, планировать). Для этого они отталкиваются от ветки, сплющивают свое тело, так что в сечении оно напоминает треугольник, и S-образно извиваются. Непонятно, зачем рептилиям изгибаться в полете — возможно, это улучшает аэродинамику и помогает планировать дольше, а может, змеи двигаются так просто по привычке.


Исследователи под руководством Исаака Йитона (Isaac Yeaton) из Политехнического университета Виргинии изучили планирование змей с помощью технологии захвата движений. На семи змеях вида Chrysopelea paradisi отмечали по 11-17 маркеров, животные прыгали с высоты 8,3 метров на искусственное дерево в арене. В каждой отмеченной точке регистрировали угол наклона тела змей относительно оси тела в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Авторы выяснили, что змеи извиваются не только горизонтально, но и вертикально. Две волны смещены по фазе на 90 градусов, гоизонтальная является синусоидой с плоским верхом и амплитудой 80-120 градусов, а вертикальная — с узким пиком и амплитудой 20-45 градусов. В змею «умещается» 1-1,5 периода горизонтальных волн и 2-3 вертикальных, частота вторых в 2-3 раза выше (2-3,4 герц против 1-1,7). Есть и еще одна волна — изгибание конца хвоста относительно головы, ее назвали дорсовентральной волной.

Изгибания змеи смоделировали с помощью серпеноидной кривой — уравнений горизонтальной и вертикальной волн — синусоиды большой амплитуды с плоским пиком и малой амплитуды с узким пиком. В уравнения ввели пять переменных: максимальные углы изгиба в двух плоскостях (θm и ψm), число периодов и частоту горизонтальной волны (νθ и fθ) и угол дорсовентрального изгиба (dψ). Остальные переменные выразили через пять основных (например, частота вертикальной волны в два раза выше горизонтальной). В каждый момент времени вычисляли положение тела относительно центра масс, интегрируя серпеноидную кривую: координаты вычисляли по уравнениям ∂sx = cosψ sinθ, ∂sy = -cosψ cosθ, ∂sz = sinψ.

Траектории, которые получили с помощью симуляции, оказались похожими на траектории настоящих змей, хотя дальность планирования в симуляции была несколько меньшей. 

При моделировании полета без горизонтальных извиваний оказалось, что в половине случаев он нестабилен (в какой-то момент угол наклона тела превышает 85 градусов), и его дальность меньше. Еще более выраженно извивания увеличивали стабильность и дальность полета в моделях планирования с высоты 75 метров — такие деревья растут в индомалайских лесах, где обитают украшенные змеи. Дорсовентральные изгибы изменяли килевую качку — наклоны тела вперед и назад, перераспределяли аэродинамические силы и увеличивали вращательную стабильность планирования.


Угловое положение тела в пространстве зависело как от аэродинамических, так и от инерционных сил, и наибольший вклад вносил момент рыскания — повороты вокруг вертикальной оси. Момент рыскания возникает из горизонтальной волны, и змеи могут использовать его для маневрирования в полете.

Обнаруженные особенности кинематики планирования змей могут послужить вдохновением и теоретической базой для создания змееподобных летающих роботов, считают авторы работы, — основой для них могут стать уже существующие робозмеи. Модель извиваний, которую создали исследователи, упростит управление таким роботом и улучшит его аэродинамические характеристики.

Робозмей, механика движений которых вдохновлена настоящими рептилиями, используют в самых разных областях: гибкие роботы с лазерами помогают сваривать трубы, а подводные робозмеи будут инспектировать подводные конструкции. Механических змей уже даже научили летать — правда, с помощью напарника-мультикоптера, который доставляет змею в нужное место.

Алиса Бахарева

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.