Как слоны эволюционировали стратегии, снижающие биомеханическую сложность их хоботов

Хобот слона демонстрирует необычайную кинематическую универсальность: он может манипулировать одним травинкой, но также переносить грузы до 270 кг. Используя технологии захвата движения, разработанные для киноиндустрии, учёные из Женевского университета (UNIGE), Швейцария, показали, что сложное поведение хобота возникает из комбинации конечного набора базовых движений, таких как распространение внутреннего изгиба и формирование псевдосуставов. Кроме того, команда обнаружила, что скорость хобота подчиняется математическому закону, наблюдаемому при рисовании человеческой рукой. Результаты опубликованы в журнале Current Biology.

От Голлума к хоботу слона

Исследователи разместили отражающие маркеры вдоль хоботов двух взрослых африканских слонов и с высокой точностью записали их траектории в 3D с помощью нескольких инфракрасных камер. Эта технология заимствована из киноиндустрии (например, для создания Голлума во «Властелине колец»).

Решение — в упрощении

Швейцарская команда показала, что слоны используют фундаментальный принцип упрощения: сложные траектории хобота составляются из набора кинематических «строительных блоков». Исследователи идентифицировали набор из примерно 20 базовых простых движений (эквивалент слов), которые комбинируются хоботом для создания конкретного сложного поведения, подобно тому, как сложное предложение состоит из комбинации слов. Выбор и комбинация элементов зависят от выполняемой задачи.

«При захвате и удержании объекта для переноски в хоботе возникает локализованный изгиб, который распространяется от кончика к основанию, а при достижении цели впереди слон модульным образом удлиняет и укорачивает определённые части хобота», — объясняет исследователь Поул Дагене.

Изменение свойств объекта вызывало смену стратегий захвата, соответствующих разным комбинациям из 20 строительных блоков. Например, при захвате лёгкого деревянного диска животное использует всасывание как подъёмную силу. С другой стороны, всасывание используется только для фиксации положения более тяжёлого (металлического) диска, в то время как хобот оборачивается вокруг него для усиления захвата.

Виртуальные суставы, загадочный математический закон и биомиметика

Когда цель расположена сбоку, стратегия её достижения очень своеобразна: непрерывный хобот образует жёсткие сегменты, соединённые виртуальными суставами, временно создавая впечатление локтя и запястья.

«Кроме того, мы обнаружили, что то, насколько хобот замедляется при движении по кривой, можно точно предсказать на основе локальной кривизны этого пути; что примечательно, такая же математическая связь между скоростью и кривизной пути существует и для человеческой руки при рисовании», — продолжает Мишель Милинкович.

Наконец, с помощью современных компьютерной томографии (КТ), магнитно-резонансной томографии (МРТ) и серийных срезов команда с беспрецедентной детализацией охарактеризовала анатомию хоботов африканского и азиатского слона. Анализируя эти анатомические данные в свете поведенческих и кинематических результатов, исследователи смогли установить чёткую связь между мышечной системой хобота и его биомеханическими функциями.

Эти результаты лягут в основу разработки новой концепции мягкой роботизированной манипуляции, которая позволит биоинспирированным роботам обнаруживать, достигать, захватывать, манипулировать и отпускать широкий спектр грузов и объектов различной формы и размера.