Исследователи из Северо-Западного университета выявили некоторые механические свойства, которые позволяют рыбе выполнять свои сложные движения. Их результаты, опубликованные 13 июня в журнале PLOS Computational Biology, могут дать представление об эволюционной биологии и привести к пониманию нейронного контроля движения и развития подводных аппаратов, вдохновленных биологией.
«Если бы мы могли сыграть в Бога и создать волнообразного пловца, насколько жестким должно быть его тело? На какой частоте волны должно его тело колебаться, чтобы оно двигалось с максимальной скоростью?
Как его мозг контролирует эти движения?» сказал Нилеш Патанкар, профессор машиностроения в Северо-западной школе инженерии и прикладных наук Маккормика. «Тысячелетия назад волнообразные пловцы, такие как угри, которые обладали нужными механическими свойствами, — это те, кто выжил».Исследователи использовали вычислительные методы для проверки предположений о предпочтительных эволюционных характеристиках. Например, наиболее успешными являются виды с низкой частотой активации мышц и высокой жесткостью тела; исследователи нашли оптимальные значения для каждого свойства.«Жесткость, которую мы прогнозируем для хороших плавательных характеристик, на самом деле такая же, как экспериментально определенная жесткость волнообразных пловцов с позвоночником», — сказал Амнит Бхалла, аспирант кафедры машиностроения в McCormick и один из авторов статьи.
«Таким образом, наши результаты предполагают, что предшественники позвоночника дали бы начало животным с соответствующей жесткостью тела», — добавил Патанкар. «Мы предполагаем, что это было бы механически выгодно для эволюционного появления плавающих позвоночных».Кроме того, виды должны быть устойчивыми к небольшим изменениям физических характеристик от поколения к поколению. Исследователи подтвердили, что способность плавать, хотя и зависит от механических параметров, не чувствительна к незначительным изменениям поколений; Исследователи обнаружили, что до тех пор, пока жесткость тела выше определенного значения, способность быстро плавать нечувствительна к значению жесткости.Наконец, установив связь с нейронным контролем движения, исследователи проанализировали кривизну его волнообразных движений, чтобы определить, является ли это результатом единственного изгибающего момента или необходимы точные изгибающие моменты в каждой точке его тела.
Они узнали, что простая схема движения порождает сложную на вид деформацию.«Это говорит о том, что животному не нужен точный контроль своих движений», — сказал Патанкар.
Чтобы сделать эти определения, исследователи применили общую физическую концепцию, известную как «пружинный демпфер» — модель, применяемую ко всему, от автомобильной подвески до Slinkies, которая определяет движение в системах, теряющих энергию, — к телу рыбы. .Этот новый подход впервые объединил концепции активного и пассивного плавания — плавания, при котором форсирование происходит изнутри рыбы (активное) или из окружающей воды (пассивное) — путем расчета условий, необходимых для плавания рыб одновременно. активно и пассивно.