Зоологи изучили удивительный "квадратный" хвост морского конька

Морской конёк может использовать свой хвост для закрепления на различных объектах

Морской конёк может использовать свой хвост для закрепления на различных объектах
(фото Oregon State University).

Исследователи обнаружили, что квадратные сегменты хвоста создают несколько контактных точек с поверхностью - такой захват эффективнее

Исследователи обнаружили, что квадратные сегменты хвоста создают несколько контактных точек с поверхностью - такой захват эффективнее
(иллюстрация Michael Porter/Clemson University).

Структура хвоста морского конька и его сегментов

Структура хвоста морского конька и его сегментов
(иллюстрация Oregon State University).

Слева: скелет морского конька состоит из сочленённых костных пластинок, которые окружают хребет. Справа: прототипы, основанные на строении хвостов морских коньков

Слева: скелет морского конька состоит из сочленённых костных пластинок, которые окружают хребет. Справа: прототипы, основанные на строении хвостов морских коньков
(иллюстрация Michael Porter/Clemson University/UC San Diego).

Скелетная структура морского животного

Скелетная структура морского животного
(иллюстрация Oregon State University).

Морской конёк может использовать свой хвост для закрепления на различных объектах
Исследователи обнаружили, что квадратные сегменты хвоста создают несколько контактных точек с поверхностью - такой захват эффективнее
Структура хвоста морского конька и его сегментов
Слева: скелет морского конька состоит из сочленённых костных пластинок, которые окружают хребет. Справа: прототипы, основанные на строении хвостов морских коньков
Скелетная структура морского животного
Зоологи изучили хвост морского конька, чтобы понять, как он закрепляет животное на растениях и предметах и при этом не ломается. Предполагается, что научная работа подскажет учёным идеи для создания новых роботов и медицинских приборов.

Международная группа исследователей изучила хвост морского конька, чтобы понять, какие структуры помогают ему удерживать животное подобно захвату возле растений или каких-то других предметов. Как оказалось, хвост состоит из квадратных перекрывающих друг друга сегментов. Такая структура позволяет ему быть более прочным и лучше захватывать объекты.

Предполагается, что научная работа вдохновит других учёных на создание новых роботов и медицинских приборов.

"Как правило, сегменты хвостов у других животных имеют круглую или овальную форму, но у морского конька всё иначе. Мы долгое время задавались вопросом, почему, и обнаружили, что хвосты с квадратными сегментами проявляют себя лучше, когда дело доходит до прочности и способности к захвату", – рассказывает доцент машиностроения Майкл Портер (Michael Porter) из университета Клемсона, ведущий автор исследования.

Также учёные заметили, что квадратные сегменты делают хвост морского конька жёстче, сильнее и более устойчивым к деформациям. Как правило, в других случаях улучшение одной из этих характеристик будет ослаблять как минимум одну из остальных. Портер и его коллеги задались целью выяснить, почему в данном случае это не так.

Исследователи выяснили, что квадратные сегменты движутся относительно друг друга лишь с одной степенью свободы ― они скользят под воздействием давления. У круглых пластин две степени свободы: они и скользят, и вращаются. Но плюс квадратных пластин в том, что они поглощают больше энергии перед тем как начинают разрушаться.

Исследователи обнаружили, что квадратные сегменты хвоста создают несколько контактных точек с поверхностью – такой захват эффективнее
(иллюстрация Michael Porter/Clemson University).

В ходе своих экспериментов учёные использовали множество передовых методов, в том числе напечатали трёхмерную модель хвоста морского конька и провели с этой моделью ряд экспериментов, а также напечатали аналогичную модель, но с круглыми сегментами (на деле такого в природе у настоящих морских коньков не встречается).

"Новые технологии, такие как 3D-печать, позволяют имитировать биологические конструкции, а также создавать гипотетические модели, которые не встречаются в природе, – рассказывает Портер. – Таким образом, мы можем сопоставить эти две структуры, объяснить определённые их параметры, а также получить вдохновение для создания новых инженерных приложений".

Исследование основывается на работе, которую Портер начал ещё во время своей учёбы в Калифорнийском университете в Сан-Диего вместе с Домиником Адриансом (Dominique Adriaens), профессором эволюционной биологии, а также профессорами инженерии Джоанной МакКитрик (Joanna McKittrick) и Марком Майерсом (Marc Meyers).

"Майкл решил использовать современные технологии, чтобы объяснить биологические особенности, – поясняет МакКитрик. – С их помощью можно создавать упрощённые модели и изучить их в лаборатории. Тогда вы можете создавать новые вдохновлённые биологией структуры и устройства".

Когда исследователи поворачивали объёмную модель хвоста морского конька, они обнаружили, что пластины взаимодействуют друг с другом. Это ограничивает диапазон движения хвоста примерно наполовину по сравнению с моделью из круглых сегментов, однако после искажения "квадратная" модель вернулась к своей изначальной форме значительно быстрее и с меньшими затратами энергии. Исследователи предполагают, что такая "неудобная" структура может защищать хвост от повреждений.

Слева: скелет морского конька состоит из сочленённых костных пластинок, которые окружают хребет. Справа: прототипы, основанные на строении хвостов морских коньков (иллюстрация Michael Porter/Clemson University/UC San Diego).

Также учёные заметили, что квадратные хвостовые сегменты создавали больше контактных точек с поверхностью, то есть захват был гораздо крепче, нежели в случае круглых сегментов.

Все эти данные важны, поскольку главные враги морского конька – хищные морские птицы – стараются захватить свою добычу клювами.

Портер полагает, что полученные в ходе исследования данные могут пригодиться и в реальной жизни. В частности, структура хвоста морского конька может лечь в основу конструкции захвата-манипулятора, который сможет работать в агрессивных средах, а также учитываться при создании медицинских катетеров нового поколения и новой робототехники.

Научная статья Портера и коллег была опубликована в журнале Science.