Кожа — дополнительный инструмент универсального хобота слона
Новое исследование Технологического института Джорджии предполагает, что мышцы — не единственный способ, которым слон растягивает хобот. Складчатая кожа также играет важную роль. Комбинация мышц и кожи даёт животному универсальность, позволяя хватать хрупкую растительность и разрывать стволы деревьев.
Исследование, проведённое в сотрудничестве с Zoo Atlanta, показало, что кожа хобота слона растягивается не равномерно. Верхняя часть более гибкая, чем нижняя, и эти два участка начинают расходиться, когда слон достигает растяжения более 10%. При вытягивании за пищей или предметами дорсальный (верхний) участок хобота скользит дальше вперёд.
Эти открытия могут улучшить робототехнику, где современные машины обычно создаются либо для большой силы, либо для гибкости. В отличие от хобота слона, они не могут делать и то, и другое.
В качестве примера авторы исследования указывают на мягкую робототехнику. Её полости, заполненные жидкостью, позволяют совершать гибкие движения, но могут легко сломаться при приложении силы. Исследователи считают, что открытия о слоне предполагают, что обёртывание мягких роботов кожеподобной структурой может дать машинам защиту и прочность, сохраняя при этом гибкость.
Статья опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) той же командой из Georgia Tech, которая прошлым летом опубликовала исследование о том, как слоны используют мышцы хобота для всасывания пищи и воды.
«Когда люди высовывают язык — мышечную ткань без костей, схожую по составу с хоботом слона — он растягивается равномерно. Мы ожидали того же, когда предложили слону тянуться за едой», — сказал Эндрю Шульц, ведущий автор исследования и аспирант Школы машиностроения Джорджа В. Вудраффа в Georgia Tech.
Он и команда снимали двух африканских саванных слонов в Zoo Atlanta, тянущихся за кубиками отрубей и яблоками.
«Но когда мы посмотрели нашу съёмку высокоскоростной камерой и построили график движений хобота, мы были удивлены. Верх и низ были совсем не одинаковыми», — сказал Шульц.
Увидев видео, Шульц растянул ткань рассечённого хобота слона, чтобы лучше понять эластичность кожи. Именно тогда он обнаружил, что верхняя часть кожи, которая имеет складки, на 15% более гибкая, чем морщинистая нижняя сторона. Тогда же команда поняла, что на видео они видят не только движение мышц. Они также отслеживали толстый слой кожи.
«Гибкие кожные складки — это инновация слона, — сказал Дэвид Ху, научный руководитель Шульца и профессор Школы Вудраффа и Школы биологических наук. — Они защищают дорсальный отдел и облегчают слону движение вниз, наиболее распространённый стиль захвата при поднятии предметов».
Исследование также показало, что хобот слона отличается от других безкостных, заполненных мышцами придатков, встречающихся в природе, таких как щупальца кальмара и осьминога. Вместо равномерного вытягивания слон растягивает хобот телескопически, как зонтик, постепенно удлиняя его волнами.
Слон сначала вытягивает участок, включающий кончик хобота, затем соседний участок и так далее, постепенно продвигаясь к телу. Шульц говорит, что это прогрессивное движение к основанию является преднамеренным.
«Слоны похожи на людей: они ленивы, — сказал он. — Участок на конце хобота — это 1 литр мышц. Участок ближе ко рту — 11–15 литров мышц. Слон сначала вытянет конец хобота, затем соседний участок, потому что их легче двигать. Если слону не нужно сильно напрягаться, чтобы что-то достать, он этого не сделает».
Шульц отметил, что ему пришлось полагаться на рисунок 1908 года при изучении анатомии хобота, потому что учёные и инженеры мало исследовали биомеханику слонов в течение последнего столетия. Часть его любопытства к слонам основана на желании помочь им; он считает, что лучшее понимание животных приведёт к более эффективным усилиям по сохранению вида. Как инженер-механик, Шульц также видит применение в робототехнике.
«Мягкая робототехника, созданная по биологически вдохновлённому дизайну, всегда основана на движении мышц. Если бы машины были обёрнуты защитной кожей, как мускулистый хобот слона, они могли бы прикладывать большие силы. В прошлом году мы узнали, что хобот — это многоцелевой мышечный гидростат. Теперь мы знаем, что кожа — ещё один инструмент в его распоряжении».