Почему хвост морского конька квадратный

Международная команда исследователей выяснила, почему хвост морского конька имеет квадратное сечение. Это открытие может привести к созданию более совершенных роботов и медицинских устройств. Вкратце, хвост, состоящий из квадратных перекрывающихся сегментов, обеспечивает лучшую защиту, чем цилиндрический, а также более эффективен для захвата и удержания. Результаты исследования опубликованы 3 июля в журнале Science.

Почти все хвосты животных имеют круглое или овальное сечение, но не у морского конька. Исследователи обнаружили, что квадратная форма лучше подходит для задач, где одновременно требуются хватка и броня.

Квадратные пластины также делают хвост более жёстким, прочным и устойчивым к деформации одновременно. Обычно усиление одной из этих характеристик ослабляет другую. Учёные выяснили, что квадратные пластины при сжатии имеют только одну степень свободы — скольжение. Круглые же пластины имеют две: скольжение и вращение. В результате квадратные пластины поглощают гораздо больше энергии до начала необратимого разрушения.

Для своих выводов исследователи использовали 3D-печать упрощённой модели хвоста морского конька, которую затем сгибали, скручивали, сжимали и дробили. Они также создали и испытали модель хвоста из круглых сегментов, не встречающуюся в природе. Новые технологии, такие как 3D-печать, позволяют не только имитировать биологические конструкции, но и создавать гипотетические модели для поиска новых инженерных решений.

Захват и удержание

При скручивании 3D-модели квадратного хвоста её пластины мешали друг другу, ограничивая диапазон движения примерно вдвое по сравнению с моделью из круглых сегментов. Кроме того, после скручивания квадратная модель быстрее возвращалась к исходной форме с минимальными затратами энергии, что, вероятно, защищает хвост от повреждений. Квадратные сегменты также создают больше точек контакта с поверхностью при захвате.

Хвост морского конька изгибается так, что позволяет хватать объекты в поле зрения. Геометрические модели, описывающие механику хвоста, доказывают, что его геометрия оптимизирована именно для такого типа захвата.

Броня

При сжатии моделей из сегментов учёные обнаружили, что суставы хвоста расположены именно в тех местах, где цельные структуры разрушаются. Это позволяет конструкции поглощать больше энергии при ударе. Квадратная модель превзошла круглую во всех тестах на сжатие, потому что её сегменты разрушаются, не меняя общей формы. Круглые же сегменты под нагрузкой раскрываются, меняя форму с круглой на эллиптическую.

Это важно, поскольку водоплавающие птицы — главные хищники для морских коньков — захватывают добычу клювами и сжимают её.

Применение

Исследователи изучают возможности применения устройств, вдохновлённых структурой хвоста морского конька. Одна из идей — масштабировать структуру для создания захватывающей роботизированной руки для работы в опасных средах. Другая — уменьшить её для создания катетера. Возможностей множество.

Структура хвоста морского конька

Хвост морского конька обычно состоит из примерно 36 квадратных сегментов, каждый из которых составлен из четырёх L-образных угловых пластин, размер которых уменьшается по длине хвоста. Пластины могут скользить или поворачиваться. Суставы скольжения позволяют костным пластинам сдвигаться друг относительно друга. Шарнирные соединения обеспечивают три степени свободы вращения. Пластины соединены с позвонками толстыми коллагеновыми слоями соединительной ткани. Суставы между пластинами и позвонками чрезвычайно гибкие, с почти шестью степенями свободы.