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新的3-D模型显示了天堂树蛇如何利用空中起伏飞行

当天堂树蛇从一根高大的树枝飞到另一根高大的树枝上时,它的身体像碧绿的草丛在碧波荡漾的蓝天上荡漾着。这种运动,即空中起伏,发生在Chrysopelea家族成员唯一一次能够飞行的无肢脊椎动物的每次滑行中。科学家已经知道了这一点,但尚未完全解释。

二十多年来,弗吉尼亚理工大学生物医学工程与力学系教授杰克·索查(Jake Socha)一直试图对蛇飞行的生物力学进行测量和建模,并回答有关它们的问题,例如空中起伏的功能作用。在《自然物理学》发表的一项研究中,Socha组建了一个跨学科团队,以开发第一个连续的,解剖学上准确的,在飞行中的金蛇菊的3-D数学模型。

该小组的成员包括Kevin T. Crofton航空航天与海洋工程系的教授Shane Ross和最近的机械工程博士学位和论文的主要作者Isaac Yeaton,他们在测量了100多个模型之后,开发了3-D模型。活蛇滑行。该模型将波动波的频率,其方向,作用在身体上的力以及质量分布等因素考虑在内。有了它,研究人员进行了虚拟实验来研究空中起伏。

在一组这样的实验中,为了了解为什么波动是每次滑行的一部分,他们通过关闭波动来模拟了如果不行将发生什么。当他们的虚拟飞蛇不再空中起伏时,它的身体开始跌落。该测试与模拟滑行相结合,使滑行的波浪不断前进,证实了该团队的假设:空中起伏增强了飞蛇的旋转稳定性。

飞行和运动问题充斥着Socha的实验室。该小组致力于研究飞蛇,研究青蛙如何从水中跳下并在水上跳跃,血液如何流过昆虫,鸭子如何降落在池塘上。在某种程度上,Socha探究起伏在蛇滑行中的功能性很重要,因为很容易假设它实际上并没有。

索查说:“我们知道蛇会由于各种原因和在各种运动环境中起伏。” “这是他们的基础程序。我的意思是他们的神经,肌肉程序?-他们正在接受特定的指令:现在发射这条肌肉,发射那条肌肉,再发射这条肌肉。这很古老。它超越了蛇。这种创造方式起伏是一种古老的波动。蛇很可能飞到空中,然后它会说:“我该怎么办?我是蛇。我起伏。”

但是Socha相信还有更多的东西。在整个天堂树蛇的飞行过程中,一次发生了很多事情,用肉眼很难解开它们。Socha描述了每次滑行时发生的几个步骤-这些步骤被视为故意的。

首先,蛇跳起来,通常是将其身体弯曲成一个“ J形环”,然后弹跳而出。蛇在发射时会重新配置其形状,其肌肉转移以使身体扁平化,除了尾巴。当空气流过它时,它会变成一个“变形翼”,在重力作用下向下加速,从而产生升力和阻力。Socha已在多项研究中检查了这些空气动力学特性。随着蛇的扁平化,蛇会向身体发出波浪。

弗吉尼亚理工学院的研究员杰克·索查(Jake Socha)在运动实验中将天堂树蛇放在树枝上。图片来源:Michael Diersing

在研究开始时,Socha有一个关于空中起伏的理论,他通过比较两种类型的飞机来解释:超大型喷气式飞机和喷气式喷气式飞机。他说,巨型喷气式飞机的设计旨在保持稳定性,一旦受到干扰,它们就会自行自行恢复水平,而战斗机则失去控制。

那蛇是哪个呢?

“这就像一个大型喷气式客机,还是天生不稳定?” 索查说。“这种波动是否可能成为稳定的一种方式?”

他相信这条蛇更像是一架战斗机。

为了进行调查波动对稳定性的重要性的测试,该小组着手开发一种可以产生模拟滑行的3-D数学模型。但是首先,他们需要测量和分析真正的蛇在滑行时会做什么。

在2015年,研究人员收集了来自天堂树蛇的131条滑行的运动捕捉数据。他们将Moss艺术中心的四层黑匣子剧院The Cube变成了室内滑行舞台,并使用其23台高速摄像头捕捉了蛇从27英尺高处从橡树上跳下来时的动作。在剪式举升机顶上的树枝上滑行,滑到下面的一棵人造树上,或滑到周围的柔软泡沫垫上,该团队以床单的形式布置以缓冲其着陆。

摄像机发出红外光,因此在蛇身上的11至17个点上用红外反射带标记了蛇,从而使运动捕捉系统能够检测到蛇在一段时间内的变化位置。寻找测量点的数量是该研究的关键。在过去的实验中,Socha将蛇标记为三个点,然后是五个,但是这些数字不能提供足够的信息。来自较少视频点的数据仅提供了粗略的理解,从而导致了所得模型中的波动和低保真度波动。

研究小组在11到17分之间找到了一个最佳点,可以提供高分辨率数据。索查说:“有了这个数字,我们就可以得到蛇的平滑代表,并且可以得到准确的代表。”

研究人员接着通过数字化和再现蛇的运动,同时折叠先前收集的关于质量分布和空气动力学的测量数据,来构建3-D模型。罗斯是动态建模方面的专家,通过从航天器运动方面的工作中汲取灵感来指导Yeaton在连续模型上的工作。

自2013年以来,他就一直与Socha合作为飞蛇建模,而以前的模型则将蛇的身体分为多个部分,首先是三个部分,分别是树干,中间和末端,然后是一堆链接。罗斯说:“这是第一个连续的过程。” “这就像一条丝带。到目前为止,这是最现实的。”

在虚拟实验中,该模型表明,空中起伏不仅使蛇在滑翔时不会翻倒,而且还增加了行进的水平和垂直距离。

罗斯看到了蛇在飞盘旋转中起伏的类比:往复运动增加了旋转稳定性,并产生了更好的滑行。他说,通过起伏,蛇能够平衡其扁平身体产生的升力和阻力,而不是被它们压倒和倾倒,并且它可以走得更远。

实验还向团队揭示了他们以前无法可视化的细节。他们看到蛇在起伏时使用了两个波:一个大振幅的水平波和一个新发现的,较小振幅的垂直波。波浪同时左右移动,数据显示垂直波的传播速度是水平波的两倍。索查说:“这真的非常怪胎。” 这些双波仅在另一条蛇中被发现,这是一条响尾蛇,但其波以相同的频率传播。

Yeaton说:“真正使这项研究变得强大的是,我们能够极大地提高我们对滑行运动学的理解以及对系统进行建模的能力。” “蛇飞行很复杂,要让蛇合作通常很棘手。要使计算模型准确,有很多复杂的方法。但是将所有部分放在一起是令人满意的。”

索查说:“这些年来,我认为我已经看到了近一千次下滑。” “每次看到它仍然令人惊奇。亲眼看到它,有些不同。这仍然令人震惊。这只动物到底在做什么?能够回答我从研究生时代就遇到的问题,许多很多年后,这令人难以置信。”

索查归功于一些因素,这些因素影响了真实的和模拟的滑行实验,从而迫使他无法控制。机会带他去了室内滑翔机竞技场:在Moss艺术中心开业几年后,创意,艺术与技术学院(ICAT)的媒体工程师Tanner Upthegrove问他是否曾考虑过在多维数据集。

“什么是立方体?” 他问。当Upthegrove向他展示空间时,他被铺了地板。它似乎是为Socha的实验而设计的。

在某些方面,确实如此。ICAT的创办人Ben Knapp表示:“ ICAT的许多项目都使用了Cube的先进技术,该工作室不同于世界上任何一家录音室,都可以揭示通常看不到的东西。” “科学家,工程师,艺术家和设计师在这里共同建立,创造和创新应对世界上最严峻挑战的新方法。”

在该中心的特色项目之一,“全身,充满时间”中,媒体和视觉艺术家使用该空间来动作捕捉舞者的身体动作,从而获得身临其境的表演。用蛇代替舞者,Socha可以充分利用Cube的动作捕捉系统。该团队可以移动摄像机,以优化其在蛇行道上的位置。他们利用空间顶部的网格将两个摄像头指向下方,从而提供了蛇的俯视图,这是他们以前无法做到的。

索查(Socha)和罗斯(Ross)认为他们的3-D模型有继续探索蛇飞行的潜力。该小组正在计划进行户外实验,以从更长的滑行中收集运动数据。有一天,他们希望跨越生物现实的边界。

现在,他们的虚拟飞蛇总是像真正的动物一样滑下。但是,如果他们能够移动它,使其实际上开始上升,该怎么办?真的要飞吗?罗斯说,这种能力有可能被内置在机器人蛇的算法中,该算法在搜索,救援和灾难监测中具有令人兴奋的应用。

罗斯说:“蛇非常擅长穿越复杂的环境。” “如果您可以添加这种新模式,那么它不仅可以在自然环境中工作,而且可以在城市环境中工作。”

Socha说:“在某些方面,弗吉尼亚理工大学是生物启发工程的枢纽。” “像这样的研究不仅可以洞悉自然界如何运作,而且可以为受自然界启发的设计奠定基础。进化论是最终的创造性修补匠,我们很高兴能继续发现自然界对诸如此类的问题的解决方案,从而促进飞行从一个摆动的圆柱中。”

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