Глядя на илистого прыгуна, неуклюже занимающегося своими земными делами, можно простительно предположить, что это его первый день на планете. Эти рыбы проводят большую часть своей жизни, извиваясь и извиваясь вне воды, дыша через кожу и удерживая воду во рту и жаберных камерах. И хотя их движения могут показаться случайными и неуклюжими, илистые прыгуны достаточно ловки, чтобы лазить по деревьям, и без проблем перетаскивают себя за грудные плавники по песку, грязи или по склизким камням. По этим причинам они являются отличными объектами для исследователей, пытающихся выяснить, как первые позвоночные поднялись из моря примерно 360 миллионов лет назад.
Недавняя статья в журнале Science исследует пересечение биологии и физики и делает остановку на робототехнике. При этом исследователи выдвинули гипотезу, объясняющую, как животные, которые привыкли плавать в теплых девонских океанах, ухитрились карабкаться по сложным материалам, таким как песок и грязь, когда они совершали набеги на сушу.
«Несколько лет назад мы начали работать над некоторыми проблемами, связанными с тем, как маленькие вылупившиеся морские черепахи умудряются мчаться по пляжу со скоростью, превышающей длину тела в несколько раз в секунду», - говорит Дэн Голдман, доцент Технической школы физики Джорджии.. «Это заставило меня задуматься о том, насколько сложным должен был быть двигательный аппарат первых позвоночных наземных животных. Какими способностями они могли обладать при переходе к полностью наземному образу жизни?»
За последние два десятилетия создание роботов стало относительно простым и недорогим, а это означает, что ученые, изучающие движения животных, теперь могут создать физическую модель животного, запрограммировать важные аспекты его движения, а затем поставить их в разных сценариях. Для этого проекта исследовательская группа поняла, что прыгун, животное, которое проводит большую часть своей жизни на суше, но чьи конечности и придатки не самые приспособленные для ходьбы - мягко говоря, - вероятно, было настолько близко, насколько они могли подобраться. анатомия и поведение первых наземных позвоночных и наших далеких предков.
Исследовательская группа наблюдала за живыми илистыми прыгунами и создала математические и роботизированные физические модели, чтобы оценить, как ранний наземный толстяк передвигался по разным субстратам, таким как гравий, песок или грязь, каждый из которых может быть по-своему сложным. - посмотрите видео Технологического института Джорджии в верхней части этой статьи, в котором объясняется весь процесс. Основываясь на том, что они узнали от илистых прыгунов, доисторические сухопутные прыгуны, вероятно, в значительной степени полагались на свои хвосты, чтобы толкать их вперед, компенсируя любые оплошности передними ластами или плавниками.
«Биомеханические модели обычно создаются на твердой поверхности», - говорит Голдман.«Мы утверждаем, что самые ранние субстраты, по которым животным приходилось перемещаться, были, вероятно, гранулированными или текучими, с которыми труднее маневрировать, особенно по мере увеличения уклона. Интересная вещь, которую мы обнаружили как в роботе, так и в математических моделях, заключается в том, Илистые прыгуны используют свои хвосты, чтобы передвигаться по суше, мы обнаружили, что они используют их очень контролируемым образом, что помогает стереть ошибку, если они неправильно сплющили плавник."
И, конечно же, это исследование помогает нам заглянуть в далекое прошлое, чтобы понять, как двигались первые наземные животные, но оно также может помочь нам двигаться в будущее, чтобы создавать роботов, которые могут маневрировать в мире - или даже в других мирах.
«Это пересечение биологии, робофизики и математики является новым и теперь еще более доступным», - говорит Голдман. «Роботы все еще довольно примитивны в своей способности передвигаться по сложной местности. Сейчас мы смотрим на саламандру и на то, как наличие дополнительных конечностей и способность сгибать спину помогают или ухудшают двигательную активность. Это может позволить людям разрабатывать более сложных роботов, способных двигаться в более реалистичных условиях».
Интересно
У илистых прыгунов нет настоящего языка, поэтому, чтобы проглотить добычу, они ударяют по еде струей воды и быстро всасывают ее обратно.