Snakeskin的物理揭示了Sidewinder Snakes专业的侧壁运动

响尾蛇导弹响尾蛇

响尾蛇(响尾蛇)在美国西南部和墨西哥北部的沙漠中发现。图片来源:沃尔夫冈·伍斯特

显微镜下可以看到蛇腹部表面的不同。

大多数蛇通过将身体弯曲成S形和向前头流动而从A到B.然而,一些物种 - 在北美,非洲和中东的沙漠中发现 - 有一种臭臭的方式。被称为“Sidewinders”,这些蛇带着他们的中间部分而不是头部,侧身侧面散落。

科学家们仔细看了看侧壁的皮肤,看看它是否在他们独特的运动方法中发挥着作用。他们发现Sidewinders'肚子镶嵌着微小的坑,很少有,如果有的话,如果有的话,在其他蛇的肚子上发现的小尖峰。

国家科学院的诉讼程序发布了该发现,其中包括将这些不同结构的数学模型连接到功能。

埃默里大学(Emory University)物理学助理教授、该研究的第一作者詹妮弗·里泽(Jennifer Rieser)说:“响尾蛇的专门运动方式在世界不同地区的不同物种中独立进化,这表明侧弯是解决问题的好办法。”“了解这种趋同进化的例子如何以及为什么会起作用,可能会让我们对其进行调整,以满足自己的需求,比如制造可以在挑战性环境中移动的机器人。”

本文的共同作者包括Joseph Mendelson,爬虫学家和动物园亚特兰大的研究总监;进化生物学家Jessica Tingle(加州大学,滨江);和物理学家Daniel Goldman(佐治亚州科技)和联合第一作者Tai-de Li(纽约市)。

非侧壁皮肤

墨西哥山脉头响尾蛇(Crotalus polystictus)通过向前滑动。从研究中,上面的微微照片,其腹部皮肤揭示了眼睛通常看不见的尖峰。显微照片图像显示表面20微米宽,或者是人头发的宽度的约三分之一。信贷:Tai-De李

Rieser的研究兴趣将柔软物质的物理融合在一起,如沙子和有机体生物学。yabo124她研究了动物的表面如何与他们的环境中的可流动材料相互作用。她的研究的见解可能导致人类技术的改进。

蛇和其他倾斜的机器人对Rieser特别有趣。“尽管蛇有一个相对简单的身体计划,但他们能够成功地导航各种栖息地,”她说。她补充说,他们的长时间灵活的身体正在鼓励“蛇”机器人的工作,为来自外科手术到折叠建筑物中的搜查和救援任务的一切。

在之前的一篇论文中,Rieser和他的同事们发现,设计出蛇形移动的机器人可能会帮助它们避免在与路径上的物体相撞时发生灾难。

Sidewinders提供了她有机会进一步挖掘大自然的进化方式,以便穿过松散的沙子和其他柔软物质。

Sidewinder皮肤

一种响尾蛇——撒哈拉沙蝰(ceraastes vipera)的皮肤显微照片显示,它的腹部布满了坑,而不是尖刺。图像显示了一个约20微米宽的表面。信贷:Tai-De李

大多数蛇在向前滑行时,身体从头到尾弯曲,腹部大部分都与地面接触。然而,一只响尾蛇却把它的腹部抬离地面,向一侧移动。

以前的研究假设侧壁可能允许蛇在砂岩上移动更好。“思想是,侧壁在移动时散开了他们的身体赋予地面的力量,这样他们就不会因为他们跨越它而导致沙丘到雪崩,”rieser解释道。

在这篇论文中,Rieser和她的同事们研究了响尾蛇的皮肤是否也在它们独特的运动风格中发挥了作用。

他们专注于三种侧壁,其中所有的Vipers,在Zoos居住地:Sidewinder Rattles(Crotalus Cerastes),在美国和墨西哥北部的沙漠中发现;和撒哈拉角蛇蝎(斯科斯斯特斯科斯特)和撒哈拉砂毒蛇(锡斯塔·沃尔氏酱),既来自北非沙漠。

从响尾蛇身上剥下的皮被收集起来,并用原子力显微镜进行扫描。原子力显微镜是一种能提供原子级分辨率的技术,分辨率可达纳米级。为了比较,他们还扫描了非响尾蛇脱落的蛇皮。

不出所料,显微镜显示出非响尾蛇皮肤上从头到尾的细小尖刺。之前的研究已经在许多其他滑行蛇身上发现了这些微刺。

然而,目前的研究发现响尾蛇的皮肤是不同的。这两只非洲响尾蛇的腹部有微坑,没有尖刺。响尾蛇的皮肤上也布满了小坑,还有一些小得多的尖刺——尽管比滑行蛇的尖刺要少得多。

研究人员创建了一种数学模型,以测试这些不同的结构如何影响与表面的摩擦交互。该模型显示头部到尾翼指向尖峰增强了前向波状的速度和距离,但对侧壁有害。

“你可以像灯芯绒材料上的山脊一样思考它,”Rieser说。“当你在与脊相同的方向沿灯芯用灯芯跑到时,摩擦力少于你在山脊上滑动时的摩擦力。”

该模型还表明,圆坑的均匀,非定向结构增强了侧壁,但与向前波动的尖峰并不高效。

这项研究提供了趋同进化的不同时间点的快照——当不同的物种不得不适应相似的环境而独立地进化出相似的特征时。

Rieser指出,美国的沙漠比非洲的沙漠年轻得多。北美的莫哈韦沙漠大约在2万年前积累了大量的沙子,而撒哈拉沙漠地区至少在700万年前就出现了沙尘条件。

“这可能解释为什么侧壁响尾蛇仍然留下了几个微穗左侧,”她说。“它没有尽可能多的时间让沙质环境作为两个非洲物种,这已经失去了他们所有的尖刺。”

Rieser补充说,工程师可能还希望适应其机器人设计。“取决于您需要一个机器人的曲面才能继续前进,”她说:“您可能希望考虑设计其表面以具有特定的纹理来增强其运动。”

参考:Jennifer M. Rieser,Tai-de Li,Jessica L. Tingle,Daniel I. Goldman和Joseph r.Mendelson III,Jesnifer M. Rieser,Taie·I。国家科学院的诉讼程序
DOI: 10.1073 / pnas.2018264118

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