Cuando la serpiente del árbol del paraíso vuela de una rama alta a otra, su cuerpo se ondula con ondas como la cursiva verde sobre una almohadilla blanca de cielo azul. Ese movimiento, ondulación aérea, ocurre en cada planeo hecho por miembros de la familia Chrysopelea, elsolo los vertebrados sin extremidades conocidos capaces de volar. Los científicos lo han sabido, pero aún no lo han explicado por completo.
Durante más de 20 años, Jake Socha, profesor del Departamento de Ingeniería Biomédica y Mecánica de Virginia Tech, ha tratado de medir y modelar la biomecánica del vuelo de las serpientes y responder preguntas sobre ellos, como el papel funcional de la ondulación aérea.Para un estudio publicado por Física de la naturaleza , Socha reunió un equipo interdisciplinario para desarrollar el primer modelo matemático 3D continuo y anatómicamente preciso de Chrysopelea paradisi en vuelo
El equipo, que incluía a Shane Ross, profesor en el Departamento de Ingeniería Aeroespacial y Oceánica Kevin T. Crofton, e Isaac Yeaton, un reciente doctorado en ingeniería mecánica y autor principal del artículo, desarrollaron el modelo 3D después de medir más de 100deslizamientos de serpientes vivas. El modelo tiene en cuenta las frecuencias de las ondas ondulantes, su dirección, las fuerzas que actúan sobre el cuerpo y la distribución de masa. Con él, los investigadores han realizado experimentos virtuales para investigar la ondulación aérea.
En una serie de esos experimentos, para saber por qué la ondulación es parte de cada planeo, simularon lo que sucedería si no fuera así, apagándola. Cuando su serpiente voladora virtual ya no podía ondular aéreamente, su cuerpoLa prueba, combinada con deslizamientos simulados que mantenían las olas de ondulación, confirmó la hipótesis del equipo: la ondulación aérea mejora la estabilidad rotacional de las serpientes voladoras.
Las preguntas de vuelo y movimiento llenan el laboratorio de Socha. El grupo ha ajustado su trabajo sobre las serpientes voladoras entre los estudios de cómo las ranas saltan del agua y se deslizan sobre ella, cómo fluye la sangre a través de los insectos y cómo los patos aterrizan en los estanques. En parte,Para Socha era importante investigar el papel funcional de la ondulación en los deslizamientos de serpientes porque sería fácil suponer que realmente no tenía uno.
"Sabemos que las serpientes se ondulan por todo tipo de razones y en todo tipo de contextos locomotores", dijo Socha. "Ese es su programa basal. ¿Por programa, me refiero a su programa neuronal y muscular? - están recibiendo instrucciones específicas: dispara este músculo ahora, dispara ese músculo, dispara este músculo. Es antiguo. Va más allá de las serpientes. Ese patrón de crear ondulaciones es antiguo. Es muy posible que una serpiente se levante en el aire y luego diga: "¿Qué hacer?¿Lo hago? Soy una serpiente. Me ondulo ''
Pero Socha creía que había mucho más que eso. Durante el vuelo de la serpiente del árbol del paraíso, tantas cosas suceden a la vez, es difícil desenredarlas a simple vista. ¿Socha describió algunos pasos que tienen lugar con cada planeo? -pasos que se leen como intencionales
Primero, la serpiente salta, generalmente curvando su cuerpo en un "J-loop" y brotando hacia arriba y hacia afuera. Cuando se lanza, la serpiente reconfigura su forma, sus músculos se desplazan para aplanar su cuerpo en todas partes excepto la cola.El cuerpo se convierte en un "ala de transformación" que produce fuerzas de elevación y arrastre cuando el aire fluye sobre él, ya que acelera hacia abajo bajo la gravedad. Socha ha examinado estas propiedades aerodinámicas en múltiples estudios. Con el aplanamiento viene la ondulación, ya que la serpiente envía ondas por su cuerpo.
Al comienzo del estudio, Socha tenía una teoría para la ondulación aérea que explicó al comparar dos tipos de aviones: aviones jumbo versus aviones de combate. Los aviones jumbo están diseñados para la estabilidad y comienzan a nivelarse por sí mismos cuando están perturbados, éldijo, mientras que los luchadores se salen de control.
Entonces, ¿cuál sería la serpiente?
"¿Es como un gran avión jumbo, o es naturalmente inestable?", Dijo Socha. "¿Es esta ondulación potencialmente una forma de lidiar con la estabilidad?"
Creía que la serpiente sería más como un avión de combate.
Para realizar pruebas que investigan la importancia de la ondulación para la estabilidad, el equipo se propuso desarrollar un modelo matemático en 3D que podría producir deslizamientos simulados. Pero primero, necesitaban medir y analizar qué hacen las serpientes reales al planear.
En 2015, los investigadores recolectaron datos de captura de movimiento de 131 deslizamientos en vivo hechos por serpientes del árbol del paraíso. Convirtieron The Cube, un teatro de caja negra de cuatro pisos en el Centro de Artes Moss, en una arena de deslizamiento bajo techo y usaron sus 23 altoscámaras de alta velocidad para capturar el movimiento de las serpientes cuando saltaron desde 27 pies hacia arriba, desde una rama de roble sobre un elevador de tijera, y se deslizaron hacia un árbol artificial debajo, o sobre el relleno de espuma suave circundante en el que el equipo se dispusosábanas para amortiguar sus aterrizajes.
Las cámaras emitieron luz infrarroja, por lo que las serpientes fueron marcadas con cinta reflectante infrarroja en 11 a 17 puntos a lo largo de sus cuerpos, permitiendo que el sistema de captura de movimiento detecte su posición cambiante con el tiempo. Encontrar el número de puntos de medición ha sido clavepara el estudio; en experimentos anteriores, Socha marcó a la serpiente en tres puntos, luego en cinco, pero esos números no proporcionaron suficiente información. Los datos de menos puntos de video solo proporcionaron una comprensión aproximada, lo que hizo que la ondulación entrecortada y de baja fidelidad enlos modelos resultantes
El equipo encontró un punto óptimo en 11 a 17 puntos, lo que proporcionó datos de alta resolución. "Con este número, podríamos obtener una representación suave de la serpiente y una precisa", dijo Socha.
Los investigadores continuaron construyendo el modelo 3D digitalizando y reproduciendo el movimiento de la serpiente mientras plegaban las mediciones que habían recogido previamente sobre distribución de masa y aerodinámica. Un experto en modelado dinámico, Ross guió el trabajo de Yeaton en un modelo continuo inspirándose entrabajar en movimiento de naves espaciales.
Había trabajado con Socha para modelar serpientes voladoras desde 2013, y sus modelos anteriores trataban el cuerpo de la serpiente en partes, primero en tres partes, como un tronco, un medio y un extremo, y luego como un montón de enlaces."Este es el primero que es continuo", dijo Ross. "Es como una cinta. Es el más realista hasta este punto".
En experimentos virtuales, el modelo mostró que la ondulación aérea no solo evitó que la serpiente se volcara durante los deslizamientos, sino que aumentó las distancias horizontales y verticales recorridas.
Ross ve una analogía para la ondulación de la serpiente en el giro de un frisbee: el movimiento recíproco aumenta la estabilidad rotacional y da como resultado un mejor deslizamiento. Al ondular, dijo, la serpiente puede equilibrar el levantamiento y las fuerzas de arrastre que produce su cuerpo aplanado, en lugar de sentirse abrumado por ellos y derrumbarse, y puede ir más allá.
Los experimentos también revelaron al equipo detalles que no habían podido visualizar previamente. Vieron que la serpiente empleaba dos ondas cuando ondulaba: una onda horizontal de gran amplitud y una onda vertical recién descubierta de menor amplitud. Las ondasfue de lado a lado y hacia arriba y hacia abajo al mismo tiempo, y los datos mostraron que la onda vertical fue al doble del ritmo de la horizontal. "Esto es realmente muy extraño", dijo Socha. Estas ondas dobles solo se han descubiertoen otra serpiente, una bobinadora lateral, pero sus ondas van a la misma frecuencia.
"Lo que realmente hace que este estudio sea poderoso es que pudimos avanzar dramáticamente tanto en nuestra comprensión de la cinemática del deslizamiento como en nuestra capacidad para modelar el sistema", dijo Yeaton. "El vuelo de la serpiente es complicado, y a menudo es difícil lograr que las serpientes puedancooperar. Y hay muchas complejidades para hacer que el modelo computacional sea preciso. Pero es satisfactorio juntar todas las piezas ".
"En todos estos años, creo que he visto cerca de mil deslizamientos", dijo Socha. "Todavía es sorprendente verlo cada vez. Al verlo en persona, hay algo un poco diferente al respecto. Todavía es impactante".¿Qué está haciendo exactamente este animal? Ser capaz de responder las preguntas que he tenido desde que era un estudiante graduado, muchos, muchos años después, es increíblemente satisfactorio ".
Socha atribuye algunos de los elementos que dieron forma a los experimentos de planeo reales y simulados a fuerzas fuera de su control. Chance lo llevó a la arena de planeo interior: unos años después de la apertura del Centro de Artes Moss, Tanner Upthegrove, un ingeniero de medios para elEl Instituto de Creatividad, Artes y Tecnología, o ICAT, le preguntó si alguna vez había pensado en trabajar en el Cubo.
"¿Cuál es el cubo?", Preguntó. Cuando Upthegrove le mostró el espacio, se quedó en el suelo. Parecía diseñado para los experimentos de Socha.
De alguna manera, lo fue. "Muchos proyectos en ICAT utilizaron la tecnología avanzada de Cube, un estudio diferente a cualquier otro en el mundo, para revelar lo que normalmente no se podía ver", dijo Ben Knapp, el director fundador deICAT: "Los científicos, ingenieros, artistas y diseñadores unen fuerzas aquí para construir, crear e innovar nuevas formas de abordar los desafíos más grandes del mundo".
En uno de los proyectos destacados del centro, "Body, Full of Time", los artistas de medios y visuales utilizaron el espacio para capturar en movimiento los movimientos corporales de los bailarines para una actuación inmersiva. Al intercambiar bailarines por serpientes, Socha pudo aprovechar al máximodel sistema de captura de movimiento del Cubo. El equipo podía mover las cámaras, optimizando su posición para el camino de la serpiente. Aprovecharon el enrejado en la parte superior del espacio para colocar dos cámaras apuntando hacia abajo, proporcionando una vista aérea de la serpiente, quenunca había podido hacer antes
Socha y Ross ven potencial para que su modelo 3D continúe explorando el vuelo de la serpiente. El equipo está planeando experimentos al aire libre para recopilar datos de movimiento de deslizamientos más largos. Y un día, esperan cruzar los límites de la realidad biológica.
En este momento, su serpiente voladora virtual siempre se desliza hacia abajo, como el animal real. Pero, ¿qué pasaría si pudieran hacer que se moviera para que realmente comenzara a subir? ¿Para volar realmente? Esa habilidad podría incorporarse a los algoritmosde serpientes robóticas, que tienen aplicaciones interesantes en búsqueda y rescate y monitoreo de desastres, dijo Ross.
"Las serpientes son tan buenas para moverse en entornos complejos", dijo Ross. "Si pudiera agregar esta nueva modalidad, funcionaría no solo en un entorno natural, sino también en un entorno urbano".
"De alguna manera, Virginia Tech es un centro para la ingeniería bio-inspirada", dijo Socha. "Estudios como este no solo proporcionan una idea de cómo funciona la naturaleza, sino que sientan las bases para un diseño inspirado en la naturaleza. La evolución es lo últimoingeniero creativo, y estamos entusiasmados de seguir descubriendo las soluciones de la naturaleza a problemas como este, extrayendo el vuelo de un cilindro que se mueve ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Virginia Tech . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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