Новая модель объясняет общие принципы управления мышцами у плавающих животных
Исследователи разработали простую модель, объясняющую сходные паттерны активации мышц, которые используют для волнообразного плавания такие разные животные, как форель, угри и песчаные ящерицы (Scincus scincus). Модель помогла понять связь между электрическими сигналами и движением тела у ящерицы, "плавающей" в песке.
Ключевое явление: нейромеханический фазовый сдвиг
Большинство плавающих существ используют волнообразное движение тела. Учёные обнаружили у них "нейромеханические фазовые сдвиги": волна активации мышц распространяется по телу быстрее, чем волна изгиба тела.
Эксперимент с песчаной ящерицей
- Метод: Исследователи совместили рентгеновскую визуализацию движения ящерицы в песке (из стеклянных микросфер) с данными от четырёх тонких электродов, имплантированных в её тело.
- Наблюдение: "Ящерицы посылают волну мышечного сокращения вниз по телу, что создаёт волну изгиба. Эта волна активации распространяется быстрее, чем волна кривизны", — пояснила аспирант Сара Шарп.
Преимущество моделирования в песке
Песок ведёт себя как фрикционная жидкость, но его моделирование проще, чем воды:
- Отсутствуют сложные вихри.
- Трение песка устраняет инерцию.
- "Для песчаной ящерицы можно рассчитать практически все силы", — отметил доцент Дэниел Голдман.
Суть модели
Простая модель, разработанная командой (Ян Дин, Сара Шарп, Курт Визенфельд, Дэниел Голдман), показала, что комбинация синхронизированных крутящих моментов от удалённых точек тела с локальными бегущими моментами создаёт нейромеханический фазовый сдвиг.
- Ключевой фактор: тело ящерицы оказалось крайне гибким ("как маленькая вялая лапша"), что позволило пренебречь внутренними силами (жёсткостью тела).
- Вывод модели: Используемая ящерицей синусоидальная волна постоянной амплитуды позволяет плыть максимально далеко с минимальными затратами энергии.
Значение работы
- Для биологии: Модель объясняет базовые физические ограничения активации мышц при волнообразном плавании и может служить основой для изучения паттернов у других животных.
- Для робототехники: Результаты помогут в проектировании эффективных плавающих роботов, максимизирующих дальность перемещения.
Исследование, поддержанное NSF, ARO и Burroughs Wellcome Fund, опубликовано 3 июня в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.