Как змеи одолевают песчаные склоны

Удивительная способность извивающихся змей быстро подниматься на песчаные склоны была смутно объяснима биологами и робототехниками, которые мечтали повторить ее. Изучая змей в уникальной плоскости наклоненного песка и используя подобного змеям робота для проверки идеи, порожденной наблюдением за настоящими животными, ученые получили давно искомое объяснение.

В исследовании, проведенном учеными из Технологического института штата Джорджия, Университета Карнеги Меллон, Университета штата Орегон и Зоопарка Атланты, показано, что извивание улучшает способность пересекать песчаные склоны, просто увеличивая площадь контакта их тела с гранулированными поверхностями, на которые они поднимаются.

Как часть исследования, принципы извивания для легкого подъема на дюны, были проверены с помощью модульного робота-змеи, разработанного в Университете Карнеги Меллон. Перед исследованием робот-змея мог использовать один компонент движения для преодоления равнинной местности, но был неспособен взобраться на наклоненную тропинку песка, на которую могли с легкостью подняться настоящие змеи. В реальном применении, во время археологической миссии в пещерах Красного моря, песчаные наклонные поверхности были особенно сложны для робота.

Однако, когда робот был запрограммирован с уникальным волнообразным движением, это помогло ему подняться на склоны, которые ранее были недосягаемы.

«Наша начальная идея состояла в том, чтобы использовать робота в качестве физической модели, чтобы изучить то, что испытывают змеи, — сказал Дэниел Гольдман, адъюнкт-профессор в Технологическом институте физики в Джорджии. — Изучая животное и физическую модель одновременно, мы обнаружили важные общие принципы, которые позволили нам не только понять животное, но и улучшить робота».

Детальное изучение показало, что и горизонтальное и вертикальное движение должно быть копировано на змееподобном роботе, чтобы быть полезным на скошенном песке.

«Думайте о движении как об эллиптическом цилиндре, окутанном автоматически возобновляемым шагом, подобным танку, — сказал Хоуи Чозет, преподаватель робототехники из Карнеги Меллон. — Змея поднимает некоторые сегменты тела, в то время как другие остаются на земле, и когда наклон увеличивается, поперечное сечение цилиндра сглаживается».

«Мы поняли, что извивающиеся змеи используют как шаблон для восхождения на песок две ортогональных волны, которыми они могут управлять независимо, — сказал Хамид Марви, постдокторант в Карнеги Меллон, который проводил эксперименты, когда он был аспирантом в лаборатории Дэвида Ху, адъюнкт-профессора в Технологическом институте машиностроения Джорджии. — Мы узнали, что есть три различных неудачных режима, которых мы можем избежать, тщательно регулируя соотношение сторон этих двух волн, управляя таким образом областью тела, контактирующей с песком».

Не имеющие конечностей животные типа змей могут с легкостью двигаться по широкому диапазону поверхностей.

Многим людям не нравятся змеи, но в этом исследовании ядовитые животные обеспечили нас знаниями, которые могут однажды принести пользу людям, как отметил Джо Мендельсон, директор по исследованиям в Зоопарке Атланты.

«Если робот застревает в песке, это проблема, особенно если тот песок находится на другой планете, — сказал он. — Извивающиеся змеи никогда не застревают в песке, таким образом, они помогают нам создать роботов, которые могут решить такую проблему».

Модульный робот-змея, используемый в этом исследовании, был специально предназначен, чтобы создавать горизонтальные и вертикальные волны в своем теле. Робот составляет два дюйма в диаметре и 37 дюймов длиной; его тело состоит из 16 суставов, каждый сустав перпендикулярен по отношению к предыдущему. Это позволяет ему принимать множество конфигураций подобно биологической змее.

Роботы Чозета кажутся хорошо приспособленными для городских поисково-спасательных операций, в которых они должны пробиться через щебень разрушенных структур, а также для археологических исследований. Способные перемещаться через трубы, роботы также были проверены, чтобы оценить их потенциал для осмотра атомных электростанций изнутри.

Для команды Гольдмана работа основывается на более ранних исследованиях по изучению того, как детеныши черепахи, крабы, ящерицы и другие животные перемещаются по сложным поверхностям, таким как песок, листья, и другие сыпучие материалы. Команда проверяет знания на роботах, часто получая дополнительные сведения о том, как животные двигаются.

«Мы интересуемся тем, как животные двигаются по различным типам гранулированных и сложных поверхностей, — сказала Гольдман. — Идея движения по  сыпучим материалам вроде песка, может быть широко применима. Это один из самых хороших примеров сотрудничества между биологией и робототехникой».