När paradisträdets orm flyger från en hög gren till en annan, dess kropp krusar av vågor som grön kursiv på ett tomt underlag av blå himmel. Den rörelsen, luftböljning, händer i varje glid som görs av medlemmar av Chrysopelea-familjen, de enda kända ryggradslösa ryggradsdjuren som kan flyga. Forskare har vetat detta, men har ännu inte förklarat det fullt ut.

I mer än 20 år, Jake Socha, professor vid Institutionen för biomedicinsk teknik och mekanik vid Virginia Tech, har försökt mäta och modellera biomekaniken för ormflygning och svara på frågor om dem, som luftvågens funktionella roll. För en studie publicerad av Naturfysik , Socha samlade ett tvärvetenskapligt team för att utveckla den första kontinuerliga, anatomiskt exakt 3-D matematisk modell av Chrysopelea paradisi under flygning.

Laget, som inkluderade Shane Ross, en professor vid Kevin T. Crofton Department of Aerospace and Ocean Engineering, och Isaac Yeaton, en nyligen doktorand i maskinteknik och tidningens huvudförfattare, utvecklade 3D-modellen efter att ha mätt mer än 100 levande ormslid. Modellen faktorer i frekvenser av vågformade vågor, deras riktning, krafter som verkar på kroppen, och massdistribution. Med det, forskarna har gjort virtuella experiment för att undersöka luftvåg.

I en uppsättning av dessa experiment, för att lära dig varför vågformning är en del av varje glid, de simulerade vad som skulle hända om det inte var det – genom att stänga av det. När deras virtuella flygande orm inte längre kunde våga sig från luften, dess kropp började tumla. Testet, i kombination med simulerade glid som höll vågorna av böljande igång, bekräftade teamets hypotes:luftvåg förbättrar rotationsstabiliteten hos flygande ormar.

Frågor om flyg och rörelse fyller Sochas labb. Gruppen har anpassat sitt arbete med flygande ormar mellan studier av hur grodor hoppar från vatten och skittrar över det, hur blod rinner genom insekter, och hur ankor landar på dammar. Till viss del, det var viktigt för Socha att undersöka vågningens funktionella roll i ormslider eftersom det skulle vara lätt att anta att den inte riktigt hade en sådan.

"Vi vet att ormar böljar av alla möjliga skäl och i alla typer av rörelsesammanhang, " sa Socha. "Det är deras basala program. Efter program, Jag menar deras neurala, muskelprogram? – de får specifika instruktioner:avfyra den här muskeln nu, avfyra den muskeln, avfyra denna muskel. Det är uråldrigt. Det går utöver ormar. Det där mönstret att skapa böljningar är ett gammalt. Det är mycket möjligt att en orm kommer upp i luften, sen går det, 'Vad gör jag? Jag är en orm. Jag böljar.'"

Men Socha trodde att det fanns mycket mer i det. Under hela paradisträdets flykt, så mycket saker händer på en gång, det är svårt att reda ut dem med blotta ögat. Socha beskrev några steg som sker med varje glidning – steg som läses som avsiktliga.

Först, ormen hoppar, vanligtvis genom att kröka kroppen till en "J-loop" och springa upp och ut. När den startar, ormen konfigurerar om sin form, dess muskler skiftar för att platta ut kroppen överallt utom svansen. Kroppen blir en "morphing vinge" som producerar lyft- och dragkrafter när luft strömmar över den, när den accelererar nedåt under gravitationen. Socha har undersökt dessa aerodynamiska egenskaper i flera studier. Med tillplattningen kommer vågformning, som ormen skickar vågor nerför sin kropp.

I början av studien, Socha hade en teori för luftvåg som han förklarade genom att jämföra två typer av flygplan:jumbojet mot stridsflygplan. Jumbo -jetplan är konstruerade för stabilitet och börjar rinna ut på egen hand när de störs, han sa, medan fighters rullar utom kontroll.

Så vilken skulle ormen vara?

"Är det som en stor jumbojet, eller är det naturligt instabilt?" sa Socha. "Är den här vågformningen potentiellt ett sätt att hantera stabilitet?"

Han trodde att ormen skulle vara mer som ett stridsflygplan.

För att köra tester som undersöker vågningens betydelse för stabiliteten, laget bestämde sig för att utveckla en 3D-matematisk modell som kunde producera simulerade glider. Men först, de behövde mäta och analysera vad riktiga ormar gör när de glider.

2015, forskarna samlade in motion capture-data från 131 levande glidningar gjorda av paradisets trädormar. De vände på kuben, en fyra våningars black-box-teater på Moss Arts Center, in i en glidarena inomhus och använde sina 23 höghastighetskameror för att fånga ormarnas rörelse när de hoppade från 27 fot upp - från en ekgren på toppen av en saxlift - och gled ner till ett konstgjort träd nedanför, eller på den omgivande mjuka skumstoppningen satte laget ut i lakan för att dämpa sina landningar.

Kamerorna släckte infrarött ljus, så ormarna märktes med infrarött reflekterande tejp på 11 till 17 punkter längs deras kroppar, så att motion capture-systemet kan upptäcka deras ändrade position över tiden. Att hitta antalet mätpunkter har varit nyckeln till studien; i tidigare experiment, Socha markerade ormen vid tre punkter, sedan fem, men dessa siffror gav inte tillräckligt med information. Data från färre videopunkter gav bara en grov förståelse, gör för hackig och low-fidelity vågformning i de resulterande modellerna.

Laget hittade en sweet spot med 11 till 17 poäng, vilket gav högupplösta data. "Med detta nummer, vi kunde få en jämn representation av ormen, och en korrekt sådan, sa Socha.

Forskarna fortsatte med att bygga 3D-modellen genom att digitalisera och reproducera ormens rörelse samtidigt som de vikade in mätningar som de tidigare hade samlat in på massdistribution och aerodynamik. En expert på dynamisk modellering, Ross vägledde Yeatons arbete på en kontinuerlig modell genom att hämta inspiration från arbete i rymdfarkoster.

Han hade arbetat med Socha för att modellera flygande ormar sedan 2013, och deras tidigare modeller behandlade ormens kropp i delar - först i tre delar, som en koffert, en mitt, och ett slut, och sedan som ett gäng länkar. "Detta är den första som är kontinuerlig, " sa Ross. "Det är som ett band. Det är det mest realistiska hittills."

I virtuella experiment, modellen visade att luftvåg inte bara hindrade ormen från att välta under glid, men det ökade de vandrade och vertikala sträckorna.

Ross ser en analogi för ormens vågformning i en frisbees spin:den fram- och återgående rörelsen ökar rotationsstabiliteten och resulterar i ett bättre glid. Genom att bölja, han sa, ormen kan balansera lyft och dragkrafter som den platta kroppen producerar, snarare än att bli överväldigad av dem och välta, och det kan gå längre.

Experimenten avslöjade också för teamet detaljer som de inte tidigare hade kunnat visualisera. De såg att ormen använde två vågor när den böljade:en horisontell våg med stor amplitud och en nyupptäckt, vertikal våg med mindre amplitud. Vågorna gick sida till sida och upp och ner samtidigt, och data visade att den vertikala vågen gick med dubbelt så hög hastighet som den horisontella. "Detta är verkligen, riktigt galet, " sa Socha. Dessa dubbla vågor har bara upptäckts i en annan orm, en sidewinder, men dess vågor går med samma frekvens.

"Vad som verkligen gör den här studien kraftfull är att vi dramatiskt kunde förbättra både vår förståelse av glidkinematik och vår förmåga att modellera systemet, " sa Yeaton. "Ormflygning är komplicerad, och det är ofta knepigt att få ormarna att samarbeta. Och det finns många krångligheter för att göra beräkningsmodellen korrekt. Men det är tillfredsställande att få ihop alla delar."

"Under alla dessa år, Jag tror att jag har sett nära tusen glid, " sa Socha. "Det är fortfarande fantastiskt att se varje gång. Att se det personligen, det är något lite annorlunda med det. Det är fortfarande chockerande. Vad exakt gör detta djur? Att kunna svara på frågorna jag har haft sedan jag var doktorand, många, många år senare, är otroligt tillfredsställande."

Socha tillskriver några av de element som formade de verkliga och simulerade glidexperimenten till krafter utanför hans kontroll. Slumpen ledde honom till glidarenan inomhus:några år efter att Moss Arts Center öppnade, Tanner Upthegrove, en medieingenjör för Institute for Creativity, Konst, och teknik, eller ICAT, frågade honom om han någonsin hade tänkt på att jobba i kuben.

"Vad är kuben?" han frågade. När Upthegrove visade honom utrymmet, han var golvad. Den verkade designad för Sochas experiment.

På vissa sätt, det var. "Många projekt på ICAT använde kubens avancerade teknologi, en studio olik alla andra i världen, att avslöja det som normalt inte kunde ses, sa Ben Knapp, grundare av ICAT. "Forskare, ingenjörer, konstnärer, och designers går samman här för att bygga, skapa, och förnya nya sätt att närma sig världens största utmaningar. "

I ett av centrets utvalda projekt, "Kropp, Full av tid, " Medie- och bildkonstnärer använde utrymmet för att rörelsefånga dansares kroppsrörelser för en uppslukande föreställning. Handel med dansare mot ormar, Socha kunde få ut det mesta av kubens rörelsefångningssystem. Teamet kunde flytta runt kameror, optimera sin position för ormens väg. De utnyttjade gallerverket överst i utrymmet för att placera två kameror som pekade nedåt, ger en översikt över ormen, vilket de aldrig hade kunnat göra tidigare.

Socha och Ross ser potential för deras 3D-modell att fortsätta utforska ormflygning. Teamet planerar utomhusexperiment för att samla in rörelsedata från längre glid. Och en dag, de hoppas kunna passera den biologiska verklighetens gränser.

Just nu, deras virtuella flygande orm glider alltid ner, som det riktiga djuret. Men tänk om de kunde få det att röra sig så att det faktiskt skulle börja gå upp? Att verkligen flyga? Den förmågan skulle potentiellt kunna byggas in i robotormars algoritmer, som har spännande applikationer inom sök och räddning och katastrofövervakning, sa Ross.

"Ormar är bara så bra på att röra sig genom komplexa miljöer, " sa Ross. "Om du kunde lägga till denna nya modalitet, det skulle fungera inte bara i en naturlig miljö, men i en stadsmiljö."

"På vissa sätt, Virginia Tech är ett nav för bioinspirerad ingenjörskonst, ", sa Socha. "Studier som den här ger inte bara insikt i hur naturen fungerar, men lägg grunden för design inspirerad av naturen. Evolution är den ultimata kreativa pysslaren, och vi är glada över att fortsätta att upptäcka naturens lösningar på problem som detta, extrahera flyg från en viftande cylinder. "