Гусеницы, черви и прочие мягкотелые животные не убегают от хищников, а прячутся. Поэтому многие годы естествоиспытатели изучали их способы маскировки — мимикрию и покровительственную окраску. Ученые из Университета Тафта получили не только академические, но и прикладные знания, изучив, казалось бы, неперспективную тему — механизм ползания гусеницы.
Загадки мягкотелых
Ученые знают, как и почему летают птицы, плавают рыбы и прыгают (бегают, ползают, ходят) другие позвоночные животные. Движения позвоночных обеспечены работой костно-мышечной системы. Скелет животных защищает внутренние органы от повреждений и одновременно предоставляет крепежные поверхности для мускулатуры. Но большинство животных Земли – беспозвоночные. И многие из них даже не имеют плотной хитиновой оболочки, поэтому тонус тела поддерживается за счет внутреннего гидростатическго давления. В процессе эволюции у мягкотелых животных выработались принципиально иные механизм и способ передвижения. Они, конечно, не способны убежать от хищника или запрыгнуть на дерево.
Но мягкотелые животные имеют иное преимущество – у них нет ограничений в движениях. Черви и гусеницы могут изгибаться в любом направлении и под любым углом, не порвав внутренние органы и наружные покровы. При этом они не страдают от несварения и не задыхаются, потому что и эти важные системы жизнеобеспечения не пережимаются.
Если бы механические роботы могли передвигаться как гусеницы, человечество решило бы множество медицинских и научно-исследовательских проблем.
Роботы-гусеницы смогли бы пробираться в самые недоступные места — пещеры, трубы, геологические разломы и кровеносные сосуды.
Исследователи из Университета Тафта (Tufts University) запланировали целую серию экспериментов, которые помогут разгадать секреты мягкотелых животных. Биологи хотят разобраться в том, как нервная система контролирует гидростатические движения, почему внутренние органы не «ломаются» и с помощью какого механизма гусеница, взбираясь по вертикальной поверхности, быстро и эффективно «затягивает» достаточно крепкую петлю. Ответив на эти вопросы, ученые планируют создать мягкотелого сверхгибкого робота.
Кино о гусенице
Результаты одного из первых экспериментов появились 22 июля в статье Visceral-Locomotory Pistoning in Crawling Caterpillars в журнале Current Biology. Барри Триммер (Barry A. Trimmer), Уильям Вудс (William A.Woods) и Линея ван Гритейсен ( Linnea A. van Griethuijsen) под руководством Майкла Саймона (Michael A. Simon) из Университета Тафта сняли научный фильм о внутренних органах и покровах гусеницы бражника каролинского (Manduca Sexta). Для этого они использовали генератор рентгеновского излучения (APS), с помощью которого просветили животное насквозь.
Ученые пытались изучить работу нейросенсорной системы, которая координирует работу всех органов и позволяет гусенице принимать неприемлемые для позвоночного животного формы. Но когда они сопоставили записи просвеченного насквозь животного с наружными наблюдениями, то сделали другое открытие. Дело в том, что в рентгеновских лучах наиболее заметными были дыхательные пути (трахеи), плотность которых значительно отличается от остального содержимого гусеницы. Они перемещались синхронно с покровами гусеницы и наружными дыхательными отверстиями. Но другие трахеи, связанные мускулатурой с кишечником, почему-то «убегали» вперед.
Ученые предположили, что не гусеница заставляет двигаться кишечник, а он ее. Чтобы подтвердить свои догадки, исследователи рассмотрели более молодую особь под оптическим микроскопом. Таким способом им удалось наблюдать за всеми органами и покровами одновременно, а не сопоставлять данные. Биологи увидели, что всем организмом «правят» голова, кишечник и задние ложноножки. Эти три части тела начинают синхронное движение, после чего волна прокатывается по всему телу.
Природная идея
Исследователи снова убедились в том, что природа намного умнее человека. Описанный механизм передвижения гусеницы чрезвычайно важен для растущего организма будущей бабочки. Прожорливое животное может не останавливаться для приема пищи, а питаться на весу, на ходу или изогнувшись зигзагом.
Ученые, присмотревшись к кишечнику, решили позаимствовать у природы идею и создать очередной биомиметик – ползающего мягкотелого робота.
Биологи предложили двуслойную модель робота, в которой «начинка», подобно кишечнику гусеницы, должна инициировать движение.
Майкл Саймон и его коллеги планируют изучить механические основы движения других беспозвоночных животных и разработать модель робота, который сможет выполнять более сложные акробатические трюки.
