Уникальные способности слонов
Элефанты обладают уникальной способностью: они могут поднимать тяжелые бревна, аккуратно переносить песок на спине и в то же время подбирать арахис, не покалечив его. Эта комбинация силы и деликатности всегда оставляла специалистов в недоумении, особенно учитывая толстую кожу и сравнительно слабое зрение этих животных.
Недавнее исследование раскрывает часть этой загадки, утверждая, что ключ к пониманию может лежать в самом хоботе. На его спинальной и боковых поверхностях расположено около 1000 усиков, которые функционируют как сенсорные датчики. Ученые сообщили, что эти усики имеют «функциональные градиенты», благодаря которым тактильные ощущения различаются в зависимости от места контакта вдоль каждого усика.
Работа была опубликована в журнале Science и является результатом междисциплинарного сотрудничества немецких ученых, возглавляемого Отделом тактильного интеллекта Института Макса Планка по интеллектуальным системам (MPI-IS).
Функции усиков: от механики к тактильной чувствительности
Исследования возглавили доктор Андре К. Шульц и профессор Кэтрин Дж. Кухенбеккер из MPI-IS, которые работали с нейробиологами из Берлинского университета им. Гумбольта и материалами из Университета Штутгарта. Шульц, автор исследования и постдокторант по программе Александра фон Гумбольта, рассказал, как началась эта работа: «Я приехал в Германию как эксперт по биомеханике слонов и хотел изучить робототехнику и сенсорику. Мой наставник, профессор Кухенбеккер, является специалистом в области тактильной робототехники, и естественным путем стало наше сотрудничество в изучении восприятия тактильных ощущений через призму усиков слонов».
Исследователи проанализировали 5-сантиметровые усики, которые местами были обработаны до масштаба в один нанометр, что составляет 1 миллиардную долю метра. Основное внимание было уделено трем основным аспектам, определяющим поведение усика во время контакта: геометрии, пористости и жесткости.
Структура и характеристики усиков
Изначально исследователи ожидали, že усики слонов будут напоминать усики мышей и крыс, которые заострены и имеют круглое сечение. Однако результаты микрографического компьютерного томографирования выявили кардинально другое: Усики слонов могут быть толстыми и плоскими, с внутренней полостью и длинными каналами, напоминающими структуры, обнаруженные в рогах овец и копытах лошадей. Такая пористая архитектура снижает массу и обеспечивает сопротивление ударам, что особенно важно, учитывая, что слоны съедают сотни килограммов пищи каждый день и усики не восстанавливаются.
Исторически известные как «функциональные градиенты», усики слонов обеспечивают физический интеллект. В отличие от усиков крыс, слоники не имеют мышц фолликула, необходимых для локальной активации, что привело к гипотезе о том, что они могут иметь уникальную организацию материала усика.
Динамика жесткости усиков
Исследование также выявило различия в жесткости между усиками из разных областей хобота. Дистальные усики, находящиеся на концах, тонкие, сильно заостренные и плоские, в то время как проксимальные усики толще и менее заостренные с почти круглым сечением.
При помощи метода нанонагрузки исследователи установили, что жесткость меняется от жесткого пластикового основания к мягкому, резинообразному кончику, что является ярким контрастом с жесткостью волос на других участках тела слона. Для взрослого азиатского слона базовый модуль жесткости дистального усика составлял 2.99 ± 0.28 ГПа, тогда как у кончика он снижался до 0.0706 ± 0.008 ГПа, что подтверждает широкий диапазон значений жесткости.
Перспективы и практическое применение
Эти открытия не только помогают разобраться в физиологии слонов, но также открывают новые горизонты для робототехники. Исследователи стремятся разработать сенсоры, которые полагаются меньше на сложные вычисления. Шульц отметил: «Биовдохновленные сенсоры с искусственным градиентом жесткости, подобным слоновьему, могут предоставить точную информацию с минимальными затратами вычислительных ресурсов».
По словам Лены В. Наффман, соавтора исследования, эти результаты также расширяют наши представления о тактильном восприятии этих удивительных животных и открывают возможности для дальнейшего изучения связи свойств материалов усиков и нейронной обработки информации.
Если эти идеи будут реализованы, дизайнеры смогут создавать усики-подобные датчики, которые будут «сообщать», где произошел контакт, основываясь только на их материалах.