Роботы овладеют стилем змеи

Змеи ползают за счет неравномерного коэффициента трения и постоянного перераспределения веса

Ученые выяснили, что змеи ползают за счет неравномерности силы трения между телом и земной поверхностью, а также постоянного перераспределения своего веса, и на основе этого предлагают создать мобильных роботов для работ при разборе завалов или даже в разведке.

В том, что фантазия природы существенно превосходит человеческую, сомневаться не приходится: удивительные формы, яркие цвета, всевозможные размеры живущих и вымерших представителей флоры и фауны зачастую просто не вписываются в рамки нашего восприятия. Но, в отличие от персонажей фантастических книг и фильмов, у реальных организмов каждая из этих выразительных черт необходима для выполнения той или иной функции. Особенно это сказывается на способе передвижения.

врез №
skin: article/incut(default)
data:

{
    "_essence": "test",
    "id": "2668601",
    "incutNum": 1,
    "repl": "<1>:{{incut1()}}",
    "uid": "_uid_3209113_i_1"
}

Гладкие чешуйки рыб, покрытые тонким слоем слизи; прочные и при этом легкие перья птиц; тонкие кожистые перепонки летающих ящеров; когти кошачьих; отстоящий большой палец у приматов; многочисленные «находки» для прямохождения, которыми так гордится человек; шесть, а то и больше пар ног у членистоногих. А ведь каждой из этих конечностей надо управлять, да ещё и балансировать остальным телом, чтобы вновь не пришлось его поднимать.

В этом плане змеи, черви и безногие амфибии сделали правильный выбор — если ты уже находишься на поверхности, то и падать тебе, собственно, некуда. А вот механика их передвижения оказалась гораздо сложнее, чем казалось. Дэвид Ху из Университета Нью-Йорка и его коллеги

доказали, что характерное ползание обеспечивается неравномерным распределением силы трения по контактирующей с землей поверхности тела и постоянным перераспределением веса.

врез №
skin: article/incut(default)
data:

{
    "_essence": "test",
    "id": "2936426",
    "incutNum": 2,
    "repl": "<2>:{{incut2()}}",
    "uid": "_uid_3209113_i_2"
}

Этим они принципиально отличаются от своих «собратьев» по несчастью — червей и безногих амфибий. Последние синтезируют обильное количество слизи, черви — проталкивают себя вперед, цепляясь небольшими волосками. А вот в случае со змеями до недавнего времени оставалось лишь полагаться на гипотезы.

Согласно одной из них, сила трения в продольном направлении была значительно меньше таковой в поперечном. Если добавить сюда способность извиваться, то петли будут обеспечивать необходимую устойчивость, при этом движение будет продолжаться вперед. Демонстрация этого подхода — колесные змейки-роботы, тело которых легко двигается вперед и совсем не двигается вбок. Тем не менее, и им требуются точки опоры, от которых можно отталкиваться. В случае с песком или голым камнем такой подход не сработает.

Авторы публикации в Proceedings of the National Academy of Sciences существенно расширили существующие представления о движении этих рептилий. Их подопечными стали 10 молодых молочных змей (королевская змея Кэмпбелла или Lampropeltis triangulum campbelli). Эти змейки, обитающие в Северной Америке, известны тем, что внешне очень напоминают ядовитых коралловых аспидов, хотя сами гораздо менее опасны.

Для начала экспериментаторы усыпили пресмыкающихся и измерили силу трения во всех направлениях.

Как и предполагалось, при движении в сторону она оказалась почти в два раза больше, а назад — в полтора, чем при движении вперед.

Но это лишь в том случае, если поверхность шероховатая. Если же в роли подложки выступало что-нибудь сверхгладкое, то сила трения во всех направлениях стремилась к нулю. Впрочем, чуда от змей и не ждали — было бы странным полагать, что чешуйки по-разному цепляются за то, за что в принципе зацепиться невозможно.

Полученная модель объясняет и способность змей передвигаться по наклонной поверхности и дает расчетные скорости, почти приближающиеся к реальным.

врез №
skin: article/incut(default)
data:

{
    "_essence": "test",
    "incutNum": 3,
    "pic_fsize": "23392",
    "picsrc": "Динамическое распределение нагрузки при боковых изгибах. Верхнее фото -- Змея, ползущая по зеркалу. На этой картинке видна \"волна\", используемая для перераспределения веса. Хотя это фото получено скорей для демонстрации (поверхность гладкая, поэтому рептилия почти не движется), тот же самый феномен наблюдался и при передвижении по шероховатым поверхностям. Ниже представлена расчетная движущая сила на модели с равномерным (средний ряд) и неравномерным (нижний ряд) распределением веса. Красной точкой отмечен центр масс, черными - места наибольшего давления на поверхность //David L.Hu et al., PNAS",
    "repl": "<3>:{{incut3()}}",
    "uid": "_uid_3209113_i_3"
}

Недостающие «километры в час» ученые объясняют своеобразной волной, которую змея пускает по своему телу. Её удалось зарегистрировать при видеозаписи движения на зеркальной поверхности. При этом рептилии не полностью отрывают свое тело, а лишь уменьшают нагрузку на те или иные участки, постоянно перемещая центр масс.

Авторы даже рассчитывают найти своей находке практическое применение — подобные роботы в ряде случаев существенно превосходят колесных и даже «шестипалых». Колеса будут абсолютно бесполезны, если высота препятствия больше половины диаметра колеса, а конечности требуют гораздо больше места для маневра, чем тонкое гибкое тело. Так что при разборе завалов или в разведке такие змеи-роботы могут принести немало пользы. Осталось только научиться изготавливать чешую, подобную змеиной.