Улиткам не нужны особые свойства слизи для движения вперед
Высокоскоростная съемка движения улиток и слизней показала, что для горизонтального перемещения им не требуются уникальные адгезивные свойства их слизи.
Улитка использует свою единственную мускулистую ногу для ползания по слою слизи, которую она выделяет. Ученые предполагали, что необычные физические свойства этой слизи необходимы для движения.
Однако новое исследование аспирантки Стэнфорда Дженис Лай (Janice Lai) с использованием высокоскоростной видеосъемки и лазеров показало, что особым свойствам слизи не всегда нужны.
"Мы были удивлены, обнаружив, что особые свойства слизи не являются обязательными. Слизь по-прежнему очень важна, но мы выяснили, что улитка использует другие механизмы для создания тяги и движения вперед".
Известно, что улитки и слизни продвигаются вперед, создавая серию мышечных импульсов на своей ноге. Эти волны сокращения и расслабления мышц распространяются вдоль центральной части ноги от хвоста к голове. Волны движутся намного быстрее самой улитки и генерируют достаточную силу для толчка вперед.
Лай обнаружила, что этих мышечных волн достаточно для движения улитки по плоской поверхности без необходимости в особой слизи для увеличения сцепления. Однако слизь помогает улитке прилипать к поверхностям и необходима при движении вверх по стене или по потолку вниз головой.
Исследование и возможные применения в робототехнике
Лай снимала улиток высокоскоростной камерой и использовала лазер для измерения того, как мышечные волны движутся вперед-назад и вверх-вниз по ноге. Она также измерила силы, которые улитка генерирует при движении по гелю.
- Методика: Для отслеживания движения на горизонтальной стеклянной поверхности камера размещалась снизу. Движение волн измерялось по характерным точкам на ноге и с помощью лазера, фиксирующего отрыв ноги от поверхности.
- Измерение силы: Улиток помещали на гель и измеряли его деформацию, что позволило рассчитать прилагаемое усилие.
Ключевым открытием стало то, что часть ноги улитки отрывается от поверхности при прохождении волны. Это снижает трение, которое необходимо преодолеть для движения, и создает достаточную тягу для горизонтального перемещения даже без уникальных реологических свойств слизи.
Работа имеет практическое применение. Несколько исследовательских групп создают роботов, движущихся как улитки. Лай работает над более детальной математической моделью передвижения улиток, которая может помочь усовершенствовать таких роботов.
"Теперь, когда мы понимаем механизм и имеем модели, следующий шаг — применить их к роботам".
Роботы, подобные улиткам, менее сложны в изготовлении ("нет торчащих ног") и могут перемещаться по самым разным поверхностям. Примеры уже существуют: группа из MIT создала таких роботов для вертикальных стен, а исследователи из Университета Тохоку (Япония) разрабатывают эндоскоп, движущийся по принципу улитки.
Исследование было опубликовано в октябре в Journal of Experimental Biology. В ноябре обновленная математическая модель была представлена на ежегодной конференции Американского физического общества.