Исследование раскрывает ключи к передвижению улиток

Исследование показало, что ключ к передвижению улиток кроется в сложных мышечных движениях животного, а не в его слизи, как считалось ранее. Это открытие может открыть путь к созданию роботов, имитирующих эту форму движения.

Основная цель исследования, проведённого Университетом Карлоса III в Мадриде (Испания) совместно с Калифорнийским университетом в Сан-Диего (UCSD) и Стэнфордским университетом, — охарактеризовать аспекты передвижения брюхоногих моллюсков (улиток и слизней) и ответить на вопрос: в какой степени они зависят от физических свойств своей слизи для движения вперёд? Этот вопрос фундаментален для применения изученного механизма в создании биомиметических роботов. «Цель в том, чтобы робот мог двигаться в любой жидкой слизи, не неся с собой собственный её запас», — пояснил один из авторов исследования, профессор Хавьер Родригес. Он отметил, что слизь улиток — это особый тип жидкости со сложными физическими характеристиками, называемый неньютоновской жидкостью.

До сих пор было известно, что улитки и слизни движутся, распространяя мышечные волны от хвоста к голове, но важность слизи в этом процессе была неясна. Учёные пришли к выводу, что свойства этой жидкости не являются существенными для движения. «Без сомнения, слизь может иметь другие функции, например, для лазания по стенам, движения вверх ногами или сохранения влаги тела на сухой поверхности. Но если мы хотим построить робота, имитирующего улитку, он мог бы двигаться по жидкой слизи с обычными свойствами», — отметил профессор Родригес. Результаты опубликованы в научном журнале Journal of Experimental Biology.

Для проведения исследования учёные охарактеризовали распространение мышечных волн вдоль тела брюхоногих. Улиток и слизней помещали на прозрачные поверхности, подсвечивая их снизу различными способами для записи изображений цифровыми камерами с последующим компьютерным анализом данных. «Способы освещения тела варьируются в зависимости от того, что измеряется», — заявила исследователь Мария Васкес. Например, для измерения скорости волны свет помещали под улитку, а для измерения вертикальной деформации тела использовали маломощный плоский лазер, спроецированный под определённым углом. Эти измерения позволили выполнить 3D-реконструкцию нижней части тела улитки во время движения.

Очень разнообразные применения

Суть движения улитки хорошо суммирована в фразе профессора биологии Стэнфордского университета Марка В. Денни, написанной в 1980-х годах: «Как животное с одной ногой может ходить по клею?» Слизь обладает высокой адгезией, что даёт преимущества, такие как ходьба по стенам и движение по потолку. Кроме того, когда улитки двигаются, они не прилагают силу к конкретным точкам, как животные с ногами, а распределяют относительно небольшую силу по относительно большой площади. «Также трудно двигаться по клею, не прилагая значительных усилий и не увлекая за собой жидкость», — отметил профессор Родригес. Улитки в результате миллионов лет эволюции научились двигаться по высокоадгезивной поверхности, избегая этих неудобств, «что, без сомнения, представляет интерес и заслуживает изучения».

Это исследование может помочь в разработке биомиметических роботов для выполнения функций, недоступных обычным устройствам. Например, некоторые японские исследователи предлагают использовать механизм движения улитки для перемещения эндоскопа по телу человека (трахея, кишечник и т.д.), используя плёнку слизи, которая обычно покрывает эти протоки. «Этот механизм создаёт плавное распределение силы вместо опоры на конкретные точки, что уменьшило бы раздражение, вызываемое движением эндоскопа», — отметил Хавьер Родригес.

В настоящее время опубликованные результаты касаются только экспериментальной части исследования, хотя учёные работают над второй статьёй, включающей простую теоретическую модель, объясняющую движение этих животных. Предварительные результаты были представлены в ноябре на ежегодной конференции Американского физического общества. Кроме того, исследователи заинтересованы в расширении анализа на ситуации, когда животное движется по склонам с разными углами наклона.