Wanneer de paradijsboomslang van de ene hoge tak naar de andere vliegt, zijn lichaam rimpelt met golven als een groene cursief op een blanco stuk blauwe lucht. Die beweging, lucht golving, gebeurt in elke glijvlucht gemaakt door leden van de Chrysopelea-familie, de enige bekende gewervelde dieren zonder ledematen die kunnen vliegen. Wetenschappers hebben dit geweten, maar moet het nog helemaal uitleggen.

Al meer dan 20 jaar, Jake Socha, een professor in de afdeling Biomedische Technologie en Mechanica van Virginia Tech, heeft getracht de biomechanica van slangenvluchten te meten en te modelleren en vragen hierover te beantwoorden, zoals die van de functionele rol van luchtgolven. Voor een studie gepubliceerd door Natuurfysica , Socha stelde een interdisciplinair team samen om de eerste continue, anatomisch nauwkeurig 3D-wiskundig model van Chrysopelea paradisi tijdens de vlucht.

Het team, waaronder Shane Ross, een professor in de Kevin T. Crofton Department of Aerospace and Ocean Engineering, en Isaac Yeaton, een recent afgestudeerd werktuigbouwkundig ingenieur en de hoofdauteur van de paper, ontwikkelde het 3D-model na het meten van meer dan 100 levende slangglijders. Het model houdt rekening met frequenties van golvende golven, hun richting, krachten die op het lichaam inwerken, en massadistributie. ermee, de onderzoekers hebben virtuele experimenten uitgevoerd om luchtgolven te onderzoeken.

In een reeks van die experimenten, om te leren waarom golving een onderdeel is van elke glijbeweging, ze simuleerden wat er zou gebeuren als het niet zo was - door het uit te zetten. Toen hun virtuele vliegende slang niet langer in de lucht kon golven, zijn lichaam begon te tuimelen. De test, gecombineerd met gesimuleerde glijbewegingen die de golven van golving gaande hielden, bevestigde de hypothese van het team:luchtgolven verbeteren de rotatiestabiliteit bij vliegende slangen.

Vragen over vlucht en beweging vullen Socha's lab. De groep heeft hun werk over vliegende slangen ingepast tussen studies over hoe kikkers uit het water springen en eroverheen springen, hoe bloed door insecten stroomt, en hoe eenden landen op vijvers. Gedeeltelijk, het was belangrijk voor Socha om de functionele rol van golving bij het glijden van slangen te onderzoeken, omdat het gemakkelijk zou zijn om aan te nemen dat het er niet echt een had.

"We weten dat slangen golven om allerlei redenen en in allerlei bewegingscontexten, "zei Socha. "Dat is hun basisprogramma. Per programma, Ik bedoel hun neurale, spierprogramma? - ze krijgen specifieke instructies:vuur deze spier nu af, vuur die spier af, vuur deze spier af. Het is oud. Het gaat verder dan slangen. Dat patroon van het creëren van golvingen is een oud patroon. Het is heel goed mogelijk dat een slang de lucht in gaat, dan gaat het, 'Wat zal ik doen? Ik ben een slang. Ik golf.'"

Maar Socha geloofde dat er veel meer aan de hand was. Tijdens de vlucht van de paradijsboomslang, er gebeuren zoveel dingen tegelijk, het is moeilijk om ze met het blote oog te ontwarren. Socha beschreef een paar stappen die bij elke glijbeweging plaatsvinden - stappen die als opzettelijk worden gelezen.

Eerst, de slang springt, meestal door zijn lichaam in een "J-lus" te buigen en omhoog en naar buiten te springen. Terwijl het wordt gelanceerd, de slang herconfigureert zijn vorm, zijn spieren verschuiven om zijn lichaam overal af te vlakken, behalve de staart. Het lichaam wordt een "vervormende vleugel" die hef- en sleepkrachten produceert wanneer er lucht overheen stroomt, omdat het onder zwaartekracht naar beneden versnelt. Socha heeft deze aerodynamische eigenschappen in meerdere onderzoeken onderzocht. Met de afvlakking komt golving, zoals de slang golven door zijn lichaam stuurt.

Aan het begin van de studie, Socha had een theorie voor luchtgolven die hij verklaarde door twee soorten vliegtuigen te vergelijken:jumbojets versus straaljagers. Jumbojets zijn ontworpen voor stabiliteit en beginnen uit zichzelf weer waterpas te zetten wanneer ze worden verstoord, hij zei, terwijl strijders uit de hand lopen.

Dus welke zou de slang zijn?

"Is het als een grote jumbojet, of is het van nature onstabiel?" zei Socha. "Is deze golving mogelijk een manier om met stabiliteit om te gaan?"

Hij geloofde dat de slang meer op een straaljager zou lijken.

Om tests uit te voeren die het belang van golving voor stabiliteit onderzoeken, het team ging op zoek naar een 3D wiskundig model dat gesimuleerde glijbewegingen zou kunnen produceren. Maar eerst, ze moesten meten en analyseren wat echte slangen doen tijdens het glijden.

in 2015, de onderzoekers verzamelden motion capture-gegevens van 131 live glijders gemaakt door paradijsboomslangen. Ze draaiden The Cube, een vier verdiepingen tellend black-box theater in het Moss Arts Center, in een indoor glijarena en gebruikte zijn 23 hogesnelheidscamera's om de bewegingen van de slangen vast te leggen terwijl ze van 7 meter hoog sprongen - van een eikenboomtak bovenop een schaarlift - en naar beneden gleed naar een kunstmatige boom eronder, of op de omringende zachte schuimvulling die het team in lakens uitzette om hun landingen te dempen.

De camera's zenden infrarood licht uit, dus de slangen werden gemarkeerd met infrarood-reflecterende tape op 11 tot 17 punten langs hun lichaam, waardoor het motion capture-systeem hun veranderende positie in de loop van de tijd kan detecteren. Het vinden van het aantal meetpunten was de sleutel tot het onderzoek; in eerdere experimenten, Socha markeerde de slang op drie punten, dan vijf, maar die cijfers gaven niet genoeg informatie. De gegevens van minder videopunten gaven slechts een grof begrip, zorgen voor schokkerige en low-fidelity golving in de resulterende modellen.

Het team vond een goede plek in 11 tot 17 punten, die gegevens met een hoge resolutie opleverde. "Met dit nummer we konden een vloeiende weergave van de slang krijgen, en een nauwkeurige, ' zei Socha.

De onderzoekers gingen verder met het bouwen van het 3D-model door de beweging van de slang te digitaliseren en te reproduceren, terwijl ze metingen opvouwden die ze eerder hadden verzameld over massaverdeling en aerodynamica. Een expert in dynamische modellering, Ross leidde Yeaton's werk op een continu model door inspiratie te putten uit werk in beweging van ruimtevaartuigen.

Hij werkte sinds 2013 met Socha om vliegende slangen te modelleren. en hun vorige modellen behandelden het lichaam van de slang in delen - eerst in drie delen, als een koffer, een midden, en een einde, en dan als een stel links. "Dit is de eerste die continu is, "zei Ross. "Het is als een lint. Dat is tot nu toe het meest realistisch."

Bij virtuele experimenten het model toonde aan dat golvingen in de lucht er niet alleen voor zorgden dat de slang tijdens het glijden niet omkantelde, maar het vergroot de horizontale en verticale afgelegde afstanden.

Ross ziet een analogie voor de golving van de slang in de spin van een frisbee:de heen en weer gaande beweging verhoogt de rotatiestabiliteit en resulteert in een beter glijden. Door te golven, hij zei, de slang is in staat om de lift- en sleepkrachten die zijn afgeplatte lichaam produceert uit te balanceren, in plaats van erdoor overweldigd te worden en om te vallen, en het kan verder gaan.

De experimenten onthulden ook de teamdetails die ze eerder niet konden visualiseren. Ze zagen dat de slang twee golven gebruikte bij het golven:een horizontale golf met grote amplitude en een nieuw ontdekte, verticale golf met kleinere amplitude. De golven gingen heen en weer en op en neer tegelijk, en de gegevens toonden aan dat de verticale golf twee keer zo snel ging als de horizontale. "Dit is echt, echt gek, " zei Socha. Deze dubbele golven zijn alleen ontdekt in een andere slang, een zijwind, maar zijn golven gaan met dezelfde frequentie.

"Wat deze studie echt krachtig maakt, is dat we in staat waren om zowel ons begrip van glijkinematica als ons vermogen om het systeem te modelleren drastisch te verbeteren, " zei Yeaton. "Slangenvluchten is ingewikkeld, en het is vaak lastig om de slangen mee te laten werken. En er zijn veel fijne kneepjes om het rekenmodel nauwkeurig te maken. Maar het geeft voldoening om alle stukjes bij elkaar te brengen."

"In al die jaren Ik denk dat ik bijna duizend glijvluchten heb gezien, "zei Socha. "Het is nog steeds elke keer weer geweldig om te zien. Als je het persoonlijk ziet, er is iets anders aan de hand. Het is nog steeds schokkend. Wat doet dit dier precies? In staat zijn om de vragen te beantwoorden die ik heb gehad sinds ik een afgestudeerde student was, veel, vele jaren later, geeft ongelooflijk veel voldoening."

Socha schrijft enkele van de elementen die de echte en gesimuleerde glij-experimenten vormden toe aan krachten die hij niet in de hand had. Het toeval leidde hem naar de overdekte glijbanen:een paar jaar nadat het Moss Arts Centre was geopend, Tanner Upthegrove, een media-ingenieur voor het Instituut voor Creativiteit, kunst, en technologie, of ICAT, vroeg hem of hij er ooit aan had gedacht om in de Cube te gaan werken.

"Wat is de kubus?" hij vroeg. Toen Upthegrove hem de ruimte liet zien, hij was gevloerd. Het leek ontworpen voor Socha's experimenten.

In sommige opzichten, het was. "Veel projecten bij ICAT maakten gebruik van de geavanceerde technologie van de Cube, een studio als geen ander in de wereld, om te onthullen wat normaal niet te zien was, " zei Ben Knapp, de oprichter en directeur van ICAT. "Wetenschappers, ingenieurs, artiesten, en ontwerpers bundelen hier hun krachten om te bouwen, creëren, en nieuwe manieren te innoveren om 's werelds grootste uitdagingen aan te gaan."

In een van de uitgelichte projecten van het centrum, "Lichaam, Vol tijd, " media en beeldend kunstenaars gebruikten de ruimte om de lichaamsbewegingen van dansers in beweging vast te leggen voor een meeslepende voorstelling. Dansers ruilen voor slangen, Socha was in staat om het meeste uit het bewegingsregistratiesysteem van de Cube te halen. Het team kan camera's verplaatsen, het optimaliseren van hun positie voor het pad van de slang. Ze maakten gebruik van traliewerk aan de bovenkant van de ruimte om twee camera's naar beneden te plaatsen, het verstrekken van een bovenaanzicht van de slang, wat ze nooit eerder hadden kunnen doen.

Socha en Ross zien mogelijkheden voor hun 3D-model om de slangenvlucht verder te verkennen. Het team plant experimenten in de buitenlucht om bewegingsgegevens te verzamelen van langere glijvluchten. En op een dag, ze hopen de grenzen van de biologische realiteit te overschrijden.

Direct, hun virtuele vliegende slang glijdt altijd naar beneden, als het echte dier. Maar wat als ze het in beweging zouden kunnen krijgen, zodat het daadwerkelijk omhoog zou gaan? Echt vliegen? Dat vermogen kan mogelijk worden ingebouwd in de algoritmen van robotslangen, die opwindende toepassingen hebben in zoek- en reddingsacties en rampenmonitoring, zei Roos.

"Slangen zijn gewoon zo goed in het bewegen door complexe omgevingen, "zei Ross. "Als je deze nieuwe modaliteit zou kunnen toevoegen, het zou niet alleen werken in een natuurlijke omgeving, maar in een stedelijke omgeving."

"In sommige opzichten, Virginia Tech is een hub voor bio-geïnspireerde engineering, "zei Socha. "Studies als deze geven niet alleen inzicht in hoe de natuur werkt, maar legde de basis voor design geïnspireerd door de natuur. Evolutie is de ultieme creatieve knutselaar, en we zijn verheugd om door te gaan met het ontdekken van de oplossingen van de natuur voor problemen zoals deze, vlucht halen uit een wiebelcilinder."