Ökenormar som glider över sanden på natten kan stöta på hinder som växter eller kvistar som ändrar färdriktningen. När jag studerade den rörelsen för att lära sig hur limlösa djur kontrollerar sina kroppar i sådana miljöer, forskare upptäckte att ormar som krockar med dessa hinder efterliknar aspekter av ljus eller subatomära partiklar när de stöter på ett diffraktionsgaller.

Effekten av denna "mekaniska diffraktion" gjorde det möjligt för forskare att observera hur ormarnas banor förändrades genom passiva mekanismer som styrs av skelett- och muskeldynamiken hos djurens förökande kroppsvågor. Forskarna studerade levande ormar när de gled genom ett hinder som består av sex kraftkänsliga styva pinnar som spände ihop djuren, ändra sina vägar på förutsägbara sätt.

Resultaten, beskrev 25 februari i tidningen Förfaranden från National Academy of Sciences , indikerar att de västra skovnosade ormarna (Chionactis occipitalis) inte medvetet ändrar riktning när de stöter på hinder medan de far fram över sanden. Att förstå rörelsen hos dessa limblessdjur kan hjälpa ingenjörer att förbättra kontrollen över autonoma sök- och räddningsrobotar som är utformade för att fungera på sand, gräs och andra komplexa miljöer.

"Tanken bakom passiv dynamik är att det sker vågformsformändringar som görs av djuret som helt drivs av deras kroppars passiva egenskaper, "sa Perrin Schiebel, en ny doktorsexamen examen från School of Physics vid Georgia Institute of Technology. "Istället för att skicka en signal för att aktivera en muskel, interaktionen mellan ormarnas kroppar och den yttre miljön är det som orsakar formändringen. Hindrens krafter driver ormkropparna till en ny form. "

Den färgglada spade-näsormen använder normalt en sinusformad S-formad våg för att röra sig över öknen i sydvästra USA. Att springa in i stela pinnar i en laboratoriemiljö leder inte till att aktivt förändra den vågformen, som Schiebel och kollegor studerade med hjälp av höghastighetsvideokameror med åtta olika djur.

I en studie som stöds av National Science Foundation, Army Research Office, Defense Advanced Projects Agency, och en National Defense Science and Engineering Graduate Fellowship, forskarna använde 253 ormresor för att bygga upp ett diffraktionsmönster. Anmärkningsvärt, mönstret avslöjade också att spridningsriktningarna "kvantiserades" så att sannolikheten att hitta en orm bakom gruppen kunde representeras i ett mönster som efterliknar våginterferens. En beräkningsmodell kunde fånga mönstret, visar hur ormarnas riktning skulle ändras genom hindermöten via passiv kroppsbockning.

"Ett problem med robotar som rör sig i den verkliga världen är att vi ännu inte har principer som vi kan förstå hur man bäst kontrollerar dessa robotar på granulära ytor som sand, lövskräp, spillror eller gräs, "sa Daniel Goldman, en familjeprofessor i Dunn vid Georgia Tech's School of Physics. "Poängen med denna studie var att försöka förstå hur limfria lok, som har långa kroppar som kan böjas på intressanta sätt med hjälp av potentiellt komplicerade neuromekaniska kontrollsystem, lyckas röra sig genom komplicerad terräng. "

Ormsexperimentet föreslogs av en robotstudie gjord av postdoktoren Jennifer Rieser, som fann liknande beteende bland robotar som stöter på hinder.

"Roboten tenderar att ha aspekter som efterliknar egenskaper hos den subatomära världen - kvantvärlden, "Förklarade Goldman." När det krockar med hinder, en robot förökar sig genom dessa barriärer med hjälp av vågor av kroppsböjning. Dess bana avviker när den lämnar barriärerna, och många upprepade försök avslöjar ett "klumpigt" spridningsmönster, analog med experiment. Vi insåg att vi kunde använda detta överraskande och vackra fenomen, klassisk fysik men med självdrivning en nyckelfunktion, som ett spridningsexperiment för att förhöra kontrollsystemet som används av ormarna. "

Experimentellt, forskarna använde en "ormarena" täckt med shagmatta för att efterlikna sand. Studenterna Alex Hubbard och Lillian Chen släppte ormarna en i taget in i arenan och uppmuntrade dem att glida genom gallret.

Ögonormarnas ögon är naturligt täckta med fjäll för att skydda dem. Forskarna använde barns ansiktsfärg för att tillfälligt "binda ögon" för djuren så att de inte skulle bli distraherade av forskarna. Färgen skadade inte djuren.

"När vi lägger ormarna i arenan, de började röra sig med samma vågform som de använder på öken sand, "förklarade Schiebel." De skulle då stöta på tappgallret, gå igenom den, och fortsätt på andra sidan och använder fortfarande den vågformen. "

Istället för att fortsätta att resa genom arenan i en rak linje, ormarna skulle gå ut i en annan vinkel, även om de inte tog tag i stolparna eller använde dem för att hjälpa deras rörelse. Schiebel arbetade med Zeb Rocklin, en Georgia Tech biträdande professor i fysik, att modellera riktningsändringarna. Modellen visade hur enkla interaktioner mellan ormarnas vågmönster och gallret ger mönster för gynnade spridningsriktningar.

"Vi tror att ormen i huvudsak fungerar i en modell som kontrollingenjörer skulle överväga" öppen slinga, "sa Goldman." Det sätter ett särskilt motorprogram på sin kropp, som genererar det karakteristiska vågmönstret, och när det krockar med hindret, dess kroppsmekanik gör det möjligt att deformera och flytta stolparna utan att försämra hastigheten. "

Goldman tror att arbetet kan hjälpa utvecklare av ormliknande robotar att förbättra sina kontrollsystem.

"Vi tror att våra upptäckter av rollen som passiv dynamik i ormen kan underlätta nya ormrobotdesigner som gör att de kan röra sig genom komplexa miljöer mer flytande, "sa han." Målet är att bygga sök- och räddningsrobotar som kan komma in i dessa komplexa miljöer och hjälpa de första svararna. "

Och som en bonus, Goldman sa, "Vi finner att rikedomen i interaktioner mellan självgående system som ormar och robotar med deras omgivning är fascinerande ur" aktiv materiens "fysik."