Las serpientes del desierto que se deslizan por la arena durante la noche pueden encontrar obstáculos como plantas o ramitas que alteran la dirección de su viaje. Mientras estudia ese movimiento para aprender cómo los animales sin extremidades controlan sus cuerpos en tales entornos, Los investigadores descubrieron que las serpientes que chocan con estos obstáculos imitan aspectos de luz o partículas subatómicas cuando encuentran una rejilla de difracción.

El efecto de esta "difracción mecánica" permitió a los investigadores observar cómo se alteraban las trayectorias de las serpientes a través de mecanismos pasivos regidos por la dinámica esquelética y muscular de las ondas corporales de propagación de los animales. Los investigadores estudiaron serpientes vivas mientras se deslizaban a través de un obstáculo formado por seis clavijas rígidas sensibles a la fuerza que doblaban los cuerpos de los animales. cambiando sus caminos de manera predecible.

Los resultados, descrito el 25 de febrero en la revista procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias , indican que las serpientes nariz de pala occidental (Chionactis occipitalis) no cambian deliberadamente de dirección cuando encuentran obstáculos mientras corren por la arena. Comprender el movimiento de estos animales sin extremidades podría ayudar a los ingenieros a mejorar el control de los robots autónomos de búsqueda y rescate diseñados para operar sobre arena. césped y otros entornos complejos.

"La idea detrás de la dinámica pasiva es que hay cambios en la forma de onda que realiza el animal y que son impulsados ​​completamente por las propiedades pasivas de sus cuerpos, "dijo Perrin Schiebel, un doctorado reciente. Graduado de la Escuela de Física del Instituto de Tecnología de Georgia. "En lugar de enviar una señal para activar un músculo, la interacción de los cuerpos de las serpientes con el entorno externo es lo que provoca el cambio de forma. Las fuerzas de los obstáculos están empujando los cuerpos de las serpientes a una nueva forma ".

La colorida serpiente con nariz de pala normalmente usa una onda sinusoidal en forma de S para moverse a través de los desiertos del suroeste de los Estados Unidos. Encontrarse con clavijas rígidas en un entorno de laboratorio no lo lleva a cambiar activamente esa forma de onda, que Schiebel y sus colegas estudiaron usando cámaras de video de alta velocidad con ocho animales diferentes.

En un estudio apoyado por la National Science Foundation, Oficina de Investigación del Ejército, Agencia de Proyectos Avanzados de Defensa, y una Beca de Posgrado en Ciencias e Ingeniería de la Defensa Nacional, los investigadores utilizaron 253 viajes de serpientes para construir un patrón de difracción. Notablemente, el patrón también reveló que las direcciones de dispersión se "cuantificaron" de manera que la probabilidad de encontrar una serpiente detrás de la matriz podría representarse en un patrón que imita la interferencia de ondas. Un modelo computacional pudo capturar el patrón, demostrando cómo la dirección de las serpientes se vería alterada por los obstáculos a través del pandeo pasivo del cuerpo.

"Un problema con los robots que se mueven en el mundo real es que todavía no tenemos principios mediante los cuales podamos comprender la mejor manera de controlar estos robots en superficies granulares como la arena". hojarasca, escombros o hierba, "dijo Daniel Goldman, un profesor de la familia Dunn en la Escuela de Física de Georgia Tech. "El objetivo de este estudio fue tratar de comprender cómo los locomotoras sin extremidades, que tienen cuerpos largos que pueden doblarse de formas interesantes utilizando esquemas de control neuromecánico potencialmente complicados, conseguir moverse por terrenos complicados ".

El experimento de la serpiente fue sugerido por un estudio robótico realizado por la becaria postdoctoral Jennifer Rieser, que encontraron un comportamiento similar entre los robots que encuentran obstáculos.

"El robot tiende a tener aspectos que imitan las características del mundo subatómico:el mundo cuántico, "Explicó Goldman." Cuando choca con las barreras, un robot se propaga a través de esas barreras usando ondas de flexión del cuerpo. Su trayectoria se desvía al salir de las barreras, y muchos ensayos repetidos revelan un patrón de dispersión 'irregular', análogo a los experimentos. Nos dimos cuenta de que podíamos aprovechar este sorprendente y hermoso fenómeno, física clásica pero con la autopropulsión como característica clave, como un experimento de dispersión para interrogar el esquema de control utilizado por las serpientes ".

Experimentalmente, los investigadores utilizaron una "arena de serpientes" cubierta con una alfombra de pelo largo para imitar la arena. Los estudiantes universitarios Alex Hubbard y Lillian Chen soltaron a las serpientes una a una en la arena y las animaron a deslizarse por la rejilla.

Los ojos de las serpientes del desierto están naturalmente cubiertos de escamas para protegerlos. Los investigadores utilizaron pintura facial para niños para "vendar los ojos" temporalmente a los animales para que los investigadores no los distraigan. La pintura no dañó a los animales.

"Cuando dejamos las serpientes en la arena, comenzaron a moverse usando la misma forma de onda que usan en la arena del desierto, ", explicó Schiebel." Entonces se encontrarían con la rejilla de clavija, pasar a través de él, y continuar en el otro lado todavía usando esa forma de onda ".

En lugar de seguir viajando por la arena en línea recta, las serpientes saldrían en un ángulo diferente, aunque no se agarraron a los postes ni los usaron para ayudar en su movimiento. Schiebel trabajó con Zeb Rocklin, un profesor asistente de física de Georgia Tech, para modelar los cambios direccionales. El modelo mostró cómo las interacciones simples entre el patrón de ondas de las serpientes y la rejilla producen patrones de direcciones de dispersión favorecidas.

"Creemos que la serpiente está operando esencialmente en un modelo que los ingenieros de control considerarían 'circuito abierto, '", dijo Goldman." Está estableciendo un programa motor particular en su cuerpo, que genera el patrón de onda característico, y cuando choca con el obstáculo, la mecánica de su cuerpo le permite deformar y mover los postes sin degradar su velocidad ".

Goldman cree que el trabajo podría ayudar a los desarrolladores de robots con forma de serpiente a mejorar sus esquemas de control.

"Creemos que nuestros descubrimientos del papel de la dinámica pasiva en la serpiente pueden facilitar nuevos diseños de robots serpiente que les permitirán moverse a través de entornos complejos de manera más fluida". ", dijo." El objetivo sería construir robots de búsqueda y rescate que puedan entrar en estos entornos complejos y ayudar a los socorristas ".

Y como bonificación, Goldman dijo:"Encontramos que la riqueza de interacciones entre sistemas autopropulsados ​​como serpientes y robots con su entorno es fascinante desde el punto de vista de la física de la 'materia activa'".