Крошечные конечности и длинные тела: координация движения ящериц
Исследователи из Технологического института Джорджии изучили, как и почему промежуточные виды ящериц с удлинёнными телами и короткими конечностями используют своё тело для передвижения. Используя биологические эксперименты, роботизированные модели и геометрическую теорию локомоции 1980-х годов, междисциплинарная команда под руководством профессора Дэниела Голдмана обнаружила ранее неизвестный спектр движений тела у ящериц, выявив континуум динамики локомоции между «ящерицеподобными» и «змееподобными» движениями. Результаты опубликованы в июньском номере Proceedings of the National Academy of Sciences.
Междисциплинарный подход
Исследование началось с анализа видеозаписей удлинённых ящериц с короткими конечностями, таких как Brachymeles. С помощью программного обеспечения для отслеживания поз животных без маркеров (DeepLabCut) на основе искусственного интеллекта учёные обнаружили, что эти виды демонстрируют разнообразный набор волновых паттернов при передвижении.
Для осмысления этого разнообразия исследователи применили математический аппарат геометрической механики. Этот метод позволил визуализировать данные о координации тела и конечностей в виде диаграмм, заменив сложные вычисления более простым диаграммным анализом. Было показано, что преимущество «змееподобных» волн у коротколапых удлинённых ящериц возникает по мере того, как генерация основной движущей силы смещается с конечностей на тело.
Сформированная теория заключалась в том, что стиль движения ящериц — используют ли они стоячие волны для бега или бегущие волны для скольжения — тесно связан со степенью длины конечностей и удлинения тела.
Проверка теории на реальных и роботизированных ящерицах
Теорию проверили двумя способами:
- Изменение среды: Ящериц, обитающих в песке, поместили в песок с продуваемым снизу воздухом. Короткотелые ящерицы с сильными ногами были вынуждены извиваться, используя «наземное плавание». Это подтвердило существование спектра паттернов локомоции.
- Робофизическая модель: Был создан переконфигурируемый робот-ящерица, у которого можно было менять длину конечностей и характер контакта тела с грунтом. Эксперименты показали, что когда большая часть веса распределена на брюхо, а не на конечности, «змееподобное» движение тела даёт явное преимущество в перемещении по песку.
Было установлено, что степень удлинения тела и редукции конечностей у ящериц напрямую связана с тем, как координируются движения тела и конечностей. Крошечные конечности оказались полезны не только для создания движущей силы, но и для отрыва брюха от земли.
Выводы
- Эволюция действовала не просто на удлинение тел или укорочение конечностей, а на оба признака — и высококоординированным функциональным образом.
- Промежуточные виды являются полностью функциональными, а не «неудавшимися змеями», и имеют свои экологические ниши.
- Полученные принципы могут быть применены в робототехнике для создания роботов, способных передвигаться в сложных условиях (завалы, внеземные среды).
- Исследование стало примером успешного междисциплинарного подхода, объединившего эволюционную биологию, ИИ-анализ, теоретическую физику и робототехнику.