Cuando la serpiente del árbol del paraíso vuela de una rama alta a otra, su cuerpo se ondula con ondas como verde cursiva en un espacio en blanco de cielo azul. Ese movimiento ondulación aérea, ocurre en cada deslizamiento realizado por miembros de la familia Chrysopelea, los únicos vertebrados sin extremidades que se conocen capaces de volar. Los científicos lo han sabido, pero aún tengo que explicarlo completamente.

Durante más de 20 años, Jake Socha, profesor en el Departamento de Ingeniería Biomédica y Mecánica de Virginia Tech, ha buscado medir y modelar la biomecánica del vuelo de las serpientes y responder preguntas sobre ellas, como el del papel funcional de la ondulación aérea. Para un estudio publicado por Física de la naturaleza , Socha reunió un equipo interdisciplinario para desarrollar el primer desarrollo continuo, Modelo matemático 3D anatómicamente exacto de Chrysopelea paradisi en vuelo.

El equipo, que incluía a Shane Ross, profesor del Departamento de Ingeniería Aeroespacial y Oceánica Kevin T. Crofton, e Isaac Yeaton, un recién graduado de doctorado en ingeniería mecánica y autor principal del artículo, desarrolló el modelo 3-D después de medir más de 100 deslizamientos de serpientes vivas. El modelo tiene en cuenta las frecuencias de ondas onduladas, su dirección, fuerzas que actúan sobre el cuerpo, y distribución masiva. Con eso, los investigadores han realizado experimentos virtuales para investigar la ondulación aérea.

En un conjunto de esos experimentos, para saber por qué la ondulación es parte de cada deslizamiento, simularon lo que sucedería si no fuera así, apagándolo. Cuando su serpiente voladora virtual ya no pudo ondular en el aire, su cuerpo comenzó a dar vueltas. La prueba, combinados con deslizamientos simulados que mantuvieron las ondas de ondulación, confirmó la hipótesis del equipo:la ondulación aérea mejora la estabilidad rotacional en serpientes voladoras.

Cuestiones de vuelo y movimiento llenan el laboratorio de Socha. El grupo ha adaptado su trabajo sobre serpientes voladoras entre estudios sobre cómo las ranas saltan del agua y se deslizan sobre ella. cómo fluye la sangre a través de los insectos, y cómo aterrizan los patos 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 motivos y en todo tipo de contextos locomotores, "dijo Socha." Ese es su programa básico. Por programa, Me refiero a su neuronal, programa 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 eleve en el aire, luego va, '¿Qué debo hacer? Soy una serpiente Me ondulo '".

Pero Socha creía que había mucho más. A lo largo del vuelo de la serpiente del árbol del paraíso, tantas cosas pasan a la vez, es difícil desenredarlos a simple vista. Socha describió algunos pasos que tienen lugar con cada deslizamiento, pasos que se leen como intencionales.

Primero, la serpiente salta, por lo general, curvando su cuerpo en un "bucle en J" y saltando hacia arriba y hacia afuera. Mientras se lanza, la serpiente reconfigura su forma, sus músculos se mueven para aplanar su cuerpo en todas partes menos en la cola. El cuerpo se convierte en un "ala morphing" que produce fuerzas de elevación y arrastre cuando el aire fluye sobre él. a medida que acelera hacia abajo bajo la gravedad. Socha ha examinado estas propiedades aerodinámicas en múltiples estudios. Con el aplanamiento viene la ondulación, como la serpiente envía ondas por su cuerpo.

Al comienzo del estudio, Socha tenía una teoría para la ondulación aérea que explicó comparando dos tipos de aviones:aviones jumbo versus aviones de combate. Los jets Jumbo están diseñados para la estabilidad y comienzan a nivelarse por sí mismos cuando son perturbados. él dijo, mientras que los combatientes se salen de control.

Entonces, ¿cuál sería la serpiente?

"¿Es como un gran jumbo jet? ¿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 ejecutar pruebas que investiguen la importancia de la ondulación para la estabilidad, el equipo se propuso desarrollar un modelo matemático tridimensional que pudiera producir deslizamientos simulados. Pero primero, necesitaban medir y analizar lo que hacen las serpientes reales cuando se deslizan.

En 2015, Los investigadores recopilaron datos de captura de movimiento de 131 deslizamientos en vivo realizados por serpientes de árboles paradisíacos. Dieron vuelta al cubo, un teatro de caja negra de cuatro pisos en el Moss Arts Center, en una pista de deslizamiento interior y usó sus 23 cámaras de alta velocidad para capturar el movimiento de las serpientes mientras saltaban desde una altura de 27 pies (desde una rama de roble sobre un elevador de tijera) y se deslizaban hacia un árbol artificial debajo, o sobre el acolchado de espuma suave circundante que el equipo colocó en sábanas para amortiguar sus aterrizajes.

Las cámaras emiten 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 a lo largo del tiempo. Encontrar el número de puntos de medición ha sido clave para el estudio; en experimentos pasados, Socha marcó la serpiente en tres puntos, luego cinco, pero esos números no proporcionaron suficiente información. Los datos de menos puntos de video solo proporcionaron una comprensión aproximada, lo que genera ondulaciones entrecortadas y de baja fidelidad en los modelos resultantes.

El equipo encontró un punto dulce en 11 a 17 puntos, que dio datos de alta resolución. "Con este número, podríamos obtener una representación fluida de la serpiente, y una precisa, "dijo Socha.

Los investigadores continuaron construyendo el modelo 3-D digitalizando y reproduciendo el movimiento de la serpiente mientras doblaban las medidas que habían recopilado previamente sobre la distribución de masa y la aerodinámica. Experto en modelado dinámico, Ross guió el trabajo de Yeaton en un modelo continuo inspirándose en el trabajo 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 baúl, un medio, y un final 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 momento ".

En experimentos virtuales, El modelo mostró que la ondulación aérea no solo evitaba que la serpiente se volcara durante los deslizamientos, pero 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 alternativo aumenta la estabilidad rotacional y da como resultado un mejor deslizamiento. Ondulando él dijo, la serpiente es capaz de equilibrar las fuerzas de elevación y arrastre que produce su cuerpo aplanado, en lugar de ser abrumado por ellos y derrumbarse, y es capaz de ir más lejos.

Los experimentos también revelaron al equipo detalles que no habían podido visualizar previamente. Vieron que la serpiente empleaba dos ondas al ondular:una onda horizontal de gran amplitud y una recién descubierta, onda vertical de menor amplitud. Las olas iban de lado a lado y hacia arriba y hacia abajo al mismo tiempo, y los datos mostraron que la onda vertical fue al doble de la velocidad de la horizontal. "Esto es realmente, realmente extraño "dijo Socha. Estas ondas dobles solo se han descubierto en otra serpiente, un sidewinder, pero sus ondas van a la misma frecuencia.

"Lo que realmente hace que este estudio sea poderoso es que pudimos avanzar drásticamente tanto en nuestra comprensión de la cinemática de planeo como en nuestra capacidad para modelar el sistema, "dijo Yeaton." El vuelo de las serpientes es complicado, ya menudo es complicado conseguir que las serpientes cooperen. Y hay muchas complejidades para 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." Sigue siendo asombroso ver todo el tiempo. Viéndolo en persona hay algo un poco diferente en eso. Todavía es impactante. ¿Qué está haciendo exactamente este animal? Poder responder a las preguntas que he tenido desde que era estudiante de posgrado, muchos, muchos años después, es increíblemente satisfactorio ".

Socha atribuye algunos de los elementos que dieron forma a los experimentos de deslizamiento real y simulado a fuerzas fuera de su control. Chance lo llevó a la arena de deslizamiento cubierta:unos años después de la apertura del Moss Arts Center, Tanner Upthegrove, un ingeniero de medios para el Institute for Creativity, Letras, y Tecnología, o ICAT, le preguntó si alguna vez había pensado en trabajar en el Cubo.

"¿Qué es el Cubo?" preguntó. Cuando Upthegrove le mostró el espacio, estaba anonadado. Parecía diseñado para los experimentos de Socha.

En algunas formas, era. "Muchos proyectos en ICAT utilizaron la tecnología avanzada del Cube, un estudio como ningún otro en el mundo, para revelar lo que normalmente no se puede ver, "dijo Ben Knapp, el director fundador de ICAT. "Científicos, ingenieros artistas y los diseñadores unen fuerzas aquí para construir, crear, e innovar nuevas formas de abordar los mayores desafíos del mundo ".

En uno de los proyectos destacados del centro, "Cuerpo, Lleno de tiempo "Los artistas visuales y de los medios de comunicación utilizaron el espacio para capturar en movimiento los movimientos corporales de los bailarines para una actuación inmersiva. Cambiando bailarines por serpientes, Socha pudo aprovechar al máximo el sistema de captura de movimiento del cubo. El equipo podía mover las cámaras optimizando su posición para el camino de la serpiente. Aprovecharon la celosía en la parte superior del espacio para colocar dos cámaras apuntando hacia abajo, proporcionando una vista aérea de la serpiente, lo que nunca antes habían podido hacer.

Socha y Ross ven el potencial de su modelo 3-D para continuar explorando el vuelo de las serpientes. 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.

Ahora, 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? ¿Volar de verdad? Esa capacidad podría potencialmente incorporarse a los algoritmos de las 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 pudieras agregar esta nueva modalidad, funcionaría no solo en un entorno natural, pero en un entorno urbano ".

"En algunas formas, Virginia Tech es un centro de ingeniería bioinspirada, ", dijo Socha." Estudios como este no solo brindan información sobre cómo funciona la naturaleza, pero sienta las bases para un diseño inspirado en la naturaleza. La evolución es el último retocador creativo, y estamos emocionados de seguir descubriendo las soluciones de la naturaleza a problemas como este, extrayendo vuelo de un cilindro que se mueve ".