Woestijnslangen die 's nachts over het zand glijden, kunnen obstakels tegenkomen, zoals planten of twijgen, die de richting van hun reis veranderen. Terwijl ze die beweging bestuderen om te leren hoe dieren zonder ledematen hun lichaam in dergelijke omgevingen beheersen, onderzoekers ontdekten dat slangen die tegen deze obstakels botsen aspecten van licht of subatomaire deeltjes nabootsen wanneer ze een diffractierooster tegenkomen.

Het effect van deze "mechanische diffractie" stelde onderzoekers in staat om te observeren hoe de banen van de slangen werden veranderd door passieve mechanismen die werden bepaald door de skelet- en spierdynamiek van de zich voortplantende lichaamsgolven van de dieren. De onderzoekers bestudeerden levende slangen terwijl ze door een obstakel glibberden dat bestond uit zes krachtgevoelige stijve pinnen die de lichamen van de dieren verbogen, hun paden op voorspelbare manieren veranderen.

De resultaten, beschreven op 25 februari in het tijdschrift Proceedings van de National Academy of Sciences , geven aan dat de Western Shovel-nosed slangen (Chionactis occipitalis) niet opzettelijk van richting veranderen wanneer ze obstakels tegenkomen terwijl ze over het zand racen. Inzicht in de bewegingen van deze ledematenloze dieren kan ingenieurs helpen om de besturing van autonome zoek- en reddingsrobots die zijn ontworpen om op zand te werken, te verbeteren. gras en andere complexe omgevingen.

"Het idee achter passieve dynamiek is dat er door het dier golfvormveranderingen worden gemaakt die volledig worden aangedreven door de passieve eigenschappen van hun lichaam, " zei Perijn Schiebel, een recente Ph.D. afgestudeerd aan de School of Physics aan het Georgia Institute of Technology. "In plaats van een signaal te sturen om een ​​spier te activeren, de interactie van de lichamen van de slangen met de externe omgeving is wat de vormverandering veroorzaakt. De krachten van de obstakels duwen de slangenlichamen in een nieuwe vorm."

De kleurrijke slang met schopneus gebruikt normaal gesproken een sinusoïdale S-vormige golf om door de woestijnen van het zuidwesten van de Verenigde Staten te bewegen. Het tegenkomen van starre pinnen in een laboratoriumomgeving leidt er niet toe dat het die golfvorm actief verandert, die Schiebel en collega's bestudeerden met behulp van high-speed videocamera's met acht verschillende dieren.

In een studie ondersteund door de National Science Foundation, Legeronderzoeksbureau, Defense Advanced Projects Agency, en een National Defense Science and Engineering Graduate Fellowship, de onderzoekers gebruikten 253 slangenreizen om een ​​diffractiepatroon op te bouwen. Opmerkelijk, het patroon onthulde ook dat de verstrooiingsrichtingen waren "gekwantiseerd" zodat de kans op het vinden van een slang achter de array kon worden weergegeven in een patroon dat golfinterferentie nabootste. Een rekenmodel was in staat om het patroon vast te leggen, demonstreren hoe de richting van de slangen zou worden veranderd door obstakels via passieve lichaamsknik.

"Een probleem met robots die in de echte wereld bewegen, is dat we nog geen principes hebben waarmee we kunnen begrijpen hoe we deze robots het beste kunnen besturen op korrelige oppervlakken zoals zand, bladafval, puin of gras, " zei Daniël Goldman, een Dunn Family Professor in Georgia Tech's School of Physics. "Het doel van deze studie was om te proberen te begrijpen hoe ledematenloze locomotieven, die lange lichamen hebben die op interessante manieren kunnen buigen met behulp van potentieel gecompliceerde neuromechanische controleschema's, erin slagen om door ingewikkeld terrein te bewegen."

Het slangenexperiment werd gesuggereerd door een robotstudie uitgevoerd door postdoctoraal medestudent Jennifer Rieser, die soortgelijk gedrag vonden bij robots die obstakels tegenkwamen.

"De robot heeft de neiging om aspecten te hebben die kenmerken van de subatomaire wereld nabootsen - de kwantumwereld, " legde Goldman uit. "Als het tegen barrières botst, een robot plant zich door die barrières voort met behulp van golven van lichaamsbuiging. Zijn traject wijkt af als het de barrières verlaat, en vele herhaalde proeven onthullen een 'klonterig' verstrooiingspatroon, analoog aan experimenten. We realiseerden ons dat we dit verrassende en mooie fenomeen konden gebruiken, klassieke natuurkunde maar met zelfaandrijving als hoofdkenmerk, als een verstrooiingsexperiment om het controleschema van de slangen te ondervragen."

Experimenteel, de onderzoekers gebruikten een "slangenarena" bedekt met shag-tapijt om zand na te bootsen. Niet-gegradueerde studenten Alex Hubbard en Lillian Chen lieten de slangen een voor een los in de arena en moedigden hen aan om door het rooster te glijden.

De ogen van de woestijnslangen zijn van nature bedekt met schubben om ze te beschermen. De onderzoekers gebruikten kindergezichtsverf om de dieren tijdelijk te "blinddoeken", zodat ze niet zouden worden afgeleid door de onderzoekers. De verf was niet schadelijk voor de dieren.

"Als we de slangen in de arena neerleggen, ze begonnen te bewegen met dezelfde golfvorm die ze gebruiken op woestijnzand, " legde Schiebel uit. "Ze zouden dan het deuvelrooster tegenkomen, er doorheen gaan, en ga verder aan de andere kant met nog steeds die golfvorm."

In plaats van in een rechte lijn door de arena te blijven reizen, de slangen zouden uit een andere hoek komen, hoewel ze de palen niet vastgrepen of ze gebruikten om hun beweging te ondersteunen. Schiebel werkte samen met Zeb Rocklin, een Georgia Tech assistent-professor natuurkunde, om de richtingsveranderingen te modelleren. Het model liet zien hoe eenvoudige interacties tussen het golfpatroon van de slangen en het rooster patronen van favoriete verstrooiingsrichtingen produceren.

"We denken dat de slang in wezen opereert in een model dat controletechnici zouden beschouwen als 'open lus, '" zei Goldman. "Het zet een bepaald motorisch programma op zijn lichaam, die het karakteristieke golfpatroon genereert, en wanneer het tegen het obstakel botst, zijn lichaamsmechanica maakt het mogelijk om de palen te vervormen en te verplaatsen zonder de snelheid te verminderen."

Goldman gelooft dat het werk ontwikkelaars van slangachtige robots kan helpen hun controleschema's te verbeteren.

"We denken dat onze ontdekkingen van de rol van passieve dynamiek in de slang nieuwe ontwerpen van slangenrobots kunnen vergemakkelijken, waardoor ze vloeiender door complexe omgevingen kunnen bewegen, " zei hij. "Het doel zou zijn om zoek- en reddingsrobots te bouwen die in deze complexe omgevingen kunnen komen en eerstehulpverleners kunnen helpen."

En als bonus Goudman zei, "We ontdekken dat de rijkdom aan interacties tussen zelfrijdende systemen zoals slangen en robots met hun omgeving fascinerend is vanuit het standpunt van de 'actieve materie'-fysica."