Как хобот слона управляет воздухом для еды и питья
Новое исследование Технологического института Джорджии показывает, что слоны расширяют ноздри, чтобы создать больше места в хоботе, позволяя хранить до девяти литров воды. Они также могут всасывать три литра в секунду — со скоростью в 50 раз быстрее человеческого чихания (150 м/с или 530 км/ч).
Исследование инженерного колледжа было направлено на понимание физики того, как слоны используют хобот для перемещения и манипулирования воздухом, водой, едой и другими объектами. Также учёные хотели выяснить, могут ли эти механизмы вдохновить на создание более эффективных роботов, использующих движение воздуха для удержания и перемещения предметов.
В то время как осьминоги используют струи воды для движения, а рыбы-брызгуны выстреливают водой над поверхностью для ловли насекомых, исследователи выяснили, что слоны — единственные животные, способные использовать всасывание как на суше, так и под водой.
Статья «Питание за счёт всасывания у слонов» опубликована в Journal of the Royal Society Interface.
«Слон съедает около 400 фунтов (≈180 кг) пищи в день, но мало что известно о том, как он использует хобот, чтобы подбирать лёгкую пищу и воду в течение 18 часов каждый день, — сказал аспирант-механик Эндрю Шульц, руководивший исследованием. — Оказывается, их хоботы действуют как чемоданы, способные расширяться при необходимости».
Команда работала с ветеринарами Zoo Atlanta, изучая слонов во время еды. Например, для больших кубов брюквы животное хватало и собирало их. Более мелкие кубики оно всасывало, производя громкий звук вакуума или звук, похожий на то, как человек хлебает лапшу, прежде чем перенести овощи в рот.
Чтобы изучить всасывание, исследователи дали слону чипс из тортильи и измерили приложенную силу. Иногда животное прижималось к чипсу и вдыхало, удерживая его на кончике хобота, не ломая. Это похоже на то, как человек может втянуть в рот лист бумаги. В других случаях слон применял всасывание с расстояния, притягивая чипс к краю хобота.
«Слон использует свой хобот как швейцарский армейский нож, — сказал научный руководитель Шульца, профессор Дэвид Ху. — Он может улавливать запахи и хватать вещи. В других случаях он сдувает предметы, как воздуходувка, или втягивает их, как пылесос».
Наблюдая, как слоны втягивают жидкость из аквариума, команда смогла засечь время и измерить объём. Всего за 1,5 секунды хобот всасывал 3,7 литра, что эквивалентно одновременному смыву 20 унитазов.
Ультразвуковой зонд использовали для измерения стенок хобота и понимания работы его внутренних мышц. Сокращая эти мышцы, животное расширяет ноздри до 30%. Это уменьшает толщину стенок и увеличивает объём носовой полости на 64%.
«Сначала это не имело смысла: носовой проход слона относительно мал, а он вдыхал больше воды, чем должен был, — сказал Шульц. — Только когда мы увидели ультразвуковые изображения и наблюдали, как расширяются ноздри, мы поняли, как они это делают. Воздух заставляет стенки открываться, и животное может хранить гораздо больше воды, чем мы изначально предполагали».
Основываясь на прилагаемом давлении, Шульц и команда предполагают, что слоны вдыхают со скоростями, сравнимыми со скоростью японских скоростных поездов в 300 миль в час (≈480 км/ч).
Шульц отметил, что эти уникальные характеристики могут найти применение в мягкой робототехнике и природоохранных усилиях.
«Исследуя механику и физику движений мышц хобота, мы можем применить физические механизмы — комбинации всасывания и захвата — для поиска новых способов создания роботов. Африканский слон теперь занесён в список исчезающих видов из-за браконьерства и потери среды обитания. Его хобот делает его уникальным видом для изучения. Узнавая о них больше, мы можем понять, как лучше сохранять слонов в дикой природе».