Lorsque le serpent de l’arbre paradisiaque vole d’une branche haute à une autre, son corps ondule avec des vagues comme une cursive verte sur un tapis blanc de ciel bleu. Ce mouvement, ondulation aérienne, se produit dans chaque plané effectué par des membres de la famille des Chrysopelea, les seuls vertébrés sans membres connus capables de voler. Les scientifiques le savent, mais ne l’ont pas encore pleinement expliqué.

Depuis additionally de 20 ans, Jake Socha, professeur au Département de génie biomédical et de mécanique de Virginia Tech, a cherché à mesurer et à modéliser la biomécanique du vol de serpent et à répondre à des thoughts à leur sujet, comme celle du rôle fonctionnel de l’ondulation aérienne. Pour une étude publiée par Mother nature Physics, Socha a réuni une équipe interdisciplinaire pour développer le leading modèle mathématique 3D continu et anatomiquement précis de Chrysopelea paradisi en vol.

Un nouveau modèle 3D montre remark le serpent de l'arbre paradisiaque utilise l'ondulation aérienne pour voler

L’équipe, qui comprenait Shane Ross, professeur au département Kevin T. Crofton de génie aérospatial et océanique, et Isaac Yeaton, récemment diplômé d’un doctorat en génie mécanique et auteur principal du doc, a développé le modèle 3D après avoir mesuré moreover de 100 serpents vivants. glisse. Le modèle tient compte des fréquences des ondes ondulantes, de leur route, des forces agissant sur le corps et de la distribution des masses. Avec lui, les chercheurs ont mené des expériences virtuelles pour étudier l’ondulation aérienne.



Dans un ensemble de ces expériences, pour savoir pourquoi l’ondulation fait partie de chaque glissement, ils ont simulé ce qui se passerait si ce n’était pas le cas – en le désactivant. Lorsque leur serpent volant virtuel ne pouvait as well as onduler en vol, son corps a commencé à s’effondrer. Le examination, associé à des glissements simulés qui ont maintenu les vagues d’ondulation, a confirmé l’hypothèse de l’équipe: l’ondulation aérienne améliore la stabilité en rotation des serpents volants.

Des questions de vol et de mouvement remplissent le laboratoire de Socha. Le groupe a adapté son travail sur les serpents volants entre les études sur la façon dont les grenouilles sautent de l’eau et y sautent, comment le sang circule à travers les insectes et comment les canards atterrissent dans les étangs. En partie, il était vital pour Socha de sonder le rôle fonctionnel de l’ondulation dans les glissements de serpents automobile il serait facile de supposer qu’il n’en avait pas vraiment.

« Nous savons que les serpents ondulent pour toutes sortes de raisons et dans toutes sortes de contextes locomoteurs », a déclaré Socha. « C’est leur programme basal. Par programme, je veux dire leur programme neuronal et musculaire? – ils reçoivent des recommendations spécifiques: feu ce muscle mass maintenant, feu ce muscle mass, feu ce muscle mass. C’est ancien. Cela va au-delà des serpents. Ce schéma de la création d’ondulations est ancienne. Il est tout à fait probable qu’un serpent monte dans l’air, puis il dit: « Que dois-je faire? Je suis un serpent. J’ondule. »  »

Mais Socha croyait qu’il y avait beaucoup moreover à faire. Tout au long du vol du serpent de l’arbre paradisiaque, tant de choses se produisent à la fois, il est difficile de les démêler à l’œil nu. Socha a décrit quelques étapes qui se déroulent à chaque vol plané? – étapes qui se lisent comme intentionnelles.

Tout d’abord, le serpent saute, généralement en courbant son corps en une « boucle en J » et en ressortant. Lors de son lancement, le serpent reconfigure sa forme, ses muscle tissue se déplaçant pour aplatir son corps partout sauf la queue. Le corps devient une « aile morphing » qui produit des forces de portance et de traînée lorsque l’air y circule, auto il accélère vers le bas par gravité. Socha a examiné ces propriétés aérodynamiques dans plusieurs études. Avec l’aplatissement vient l’ondulation, car le serpent envoie des vagues le long de son corps.

Au début de l’étude, Socha avait une théorie de l’ondulation aérienne qu’il a expliquée en comparant deux sorts d’avions: les avions gros porteurs et les avions de chasse. Les avions géants sont conçus pour la stabilité et commencent à se stabiliser d’eux-mêmes lorsqu’ils sont perturbés, a-t-il déclaré, tandis que les chasseurs perdent le contrôle.

Alors, quel serait le serpent?

« Est-ce que c’est comme un gros gros porteur, ou est-ce naturellement instable? » Dit Socha. « Est-ce que cette ondulation est potentiellement un moyen de gérer la stabilité? »

Il pensait que le serpent ressemblerait additionally à un avion de chasse.

Pour effectuer des assessments sur l’importance de l’ondulation pour la stabilité, l’équipe a entrepris de développer un modèle mathématique 3D pouvant produire des glissements simulés. Mais d’abord, ils devaient mesurer et analyser ce que font les vrais serpents lorsqu’ils planent.

En 2015, les chercheurs ont collecté des données de seize de mouvement à partir de 131 glissements vivants réalisés par des serpents arborescents paradisiaques. Ils ont transformé le Cube, un théâtre de boîte noire de quatre étages au Moss Arts Heart, en une arène de glisse intérieure et ont utilisé ses 23 caméras à grande vitesse pour capturer le mouvement des serpents alors qu’ils sautaient de 27 pieds – d’un chêne une branche d’arbre au sommet d’un pont élévateur à ciseaux – et glissa vers le bas jusqu’à un arbre artificiel en dessous, ou sur le rembourrage en mousse souple environnant, l’équipe s’est mise en feuilles pour amortir leurs atterrissages.

Les caméras émettent de la lumière infrarouge, de sorte que les serpents ont été marqués avec du ruban réfléchissant l’infrarouge sur 11 à 17 points le prolonged de leur corps, permettant au système de seize de mouvement de détecter leur changement de position au fil du temps. Trouver le nombre de points de mesure a été la clé de l’étude dans les expériences passées, Socha a marqué le serpent à trois details, puis à cinq, mais ces chiffres n’ont pas fourni suffisamment d’informations. Les données provenant de moins de points vidéo n’ont fourni qu’une compréhension grossière, ce qui a entraîné une ondulation saccadée et basse fidélité dans les modèles résultants.

L’équipe a trouvé un stage idéal en 11 à 17 points, ce qui a donné des données à haute résolution. « Avec ce nombre, nous pourrions obtenir une représentation fluide du serpent, et une représentation exacte », a déclaré Socha.

Les chercheurs ont ensuite construit le modèle 3D en numérisant et en reproduisant le mouvement du serpent tout en intégrant les mesures qu’ils avaient précédemment collectées sur la distribution de masse et l’aérodynamique. Specialist en modélisation dynamique, Ross a guidé le travail de Yeaton sur un modèle continu en s’inspirant du travail en mouvement de vaisseau spatial.

Il avait travaillé avec Socha pour modéliser des serpents volants depuis 2013, et leurs modèles précédents ont traité le corps du serpent en plusieurs get-togethers – d’abord en trois events, comme un tronc, un milieu et une extrémité, puis comme un tas de liens. « C’est le leading qui soit continu », a déclaré Ross. « C’est comme un ruban. C’est le furthermore réaliste à ce stage. »

Dans des expériences virtuelles, le modèle a montré que l’ondulation aérienne non seulement empêchait le serpent de basculer pendant les glissements, mais augmentait également les distances horizontales et verticales parcourues.

Ross voit une analogie pour l’ondulation du serpent dans la rotation d’un frisbee: le mouvement alternatif augmente la stabilité en rotation et se traduit par une meilleure glisse. En ondulant, a-t-il dit, le serpent est capable d’équilibrer les forces de portance et de traînée produites par son corps aplati, plutôt que d’être submergé par eux et de basculer, et il peut aller moreover loin.

Les expériences ont également révélé à l’équipe des détails qu’ils n’avaient pas pu visualiser auparavant. Ils ont vu que le serpent employait deux ondes lorsqu’il ondulait: une onde horizontale de grande amplitude et une onde verticale nouvellement découverte de as well as petite amplitude. Les vagues sont allées côte à côte et de haut en bas en même temps, et les données ont montré que l’onde verticale allait deux fois moreover vite que l’onde horizontale. « C’est vraiment, vraiment bizarre », a déclaré Socha. Ces ondes doubles n’ont été découvertes que chez un autre serpent, un Sidewinder, mais ses ondes vont à la même fréquence.

« Ce qui rend vraiment cette étude puissante, c’est que nous avons pu faire progresser considérablement notre compréhension de la cinématique de glissement et notre capacité à modéliser le système », a déclaré Yeaton. « Le vol des serpents est compliqué, et il est souvent difficile de faire coopérer les serpents. Et il existe de nombreuses subtilités pour rendre le modèle de calcul précis. Mais il est satisfaisant de rassembler toutes les pièces. »

« Pendant toutes ces années, je pense avoir vu près d’un millier de glissements », a déclaré Socha. « C’est toujours incroyable de le voir à chaque fois. Le voir en personne, il y a quelque selected d’un peu différent. C’est encore choquant. Que fait exactement cet animal? Être able de répondre aux concerns que je me suis posé depuis que je suis étudiant diplômé, beaucoup, plusieurs années moreover tard, est incroyablement satisfaisant.  »

Socha attribue certains des éléments qui ont façonné les expériences de glisse réelles et simulées à des forces hors de son contrôle. Le hasard l’a conduit à l’arène de glisse en salle: quelques années après l’ouverture du Moss Arts Heart, Tanner Upthegrove, ingénieur des médias pour l’Institut de la créativité, des arts et de la technologie, ou ICAT, lui a demandé s’il avait déjà pensé à travailler dans Le cube.

« C’est quoi le Dice? » Il a demandé. Quand Upthegrove lui a montré l’espace, il a été terrassé. Il semblait conçu pour les expériences de Socha.

D’une certaine manière, ça l’était. « De nombreux projets à ICAT ont utilisé la technologie de pointe du Cube, un studio pas comme les autres dans le monde, pour révéler ce qui ne pouvait normalement pas être vu », a déclaré Ben Knapp, directeur fondateur d’ICAT. « Les scientifiques, ingénieurs, artistes et designers unissent leurs forces ici pour construire, créer et innover de nouvelles façons d’aborder les moreover grands défis du monde. »

Dans l’un des projets phares du centre, « System, Entire of Time », les artistes médiatiques et visuels ont utilisé l’espace pour capturer le mouvement des mouvements corporels des danseurs pour une overall performance immersive. Échangeant des danseurs contre des serpents, Socha a pu tirer le meilleur parti du système de capture de mouvement du Dice. L’équipe pouvait déplacer les caméras, optimisant leur placement pour le chemin du serpent. Ils ont profité du treillis en haut de l’espace pour positionner deux caméras pointant vers le bas, offrant une vue aérienne du serpent, ce qu’ils n’avaient jamais pu faire auparavant.

Socha et Ross voient le potentiel de leur modèle 3D pour continuer à explorer le vol de serpent. L’équipe prévoit des expériences en extérieur pour recueillir des données de mouvement sur des glissements plus longs. Et un jour, ils espèrent franchir les frontières de la réalité biologique.

En ce minute, leur serpent volant virtuel glisse toujours vers le bas, comme le vrai animal. Mais que se passerait-il s’ils pouvaient le faire bouger pour qu’il start à monter? Pour voler vraiment? Cette capacité pourrait potentiellement être intégrée dans les algorithmes des serpents robotiques, qui ont des programs passionnantes dans la recherche et le sauvetage et la surveillance des catastrophes, a déclaré Ross.

« Les serpents sont tellement doués pour se déplacer dans des environnements complexes », a déclaré Ross. « Si vous pouviez ajouter cette nouvelle modalité, cela fonctionnerait non seulement dans un cadre naturel, mais dans un environnement urbain. »

« À certains égards, Virginia Tech est une plaque tournante pour l’ingénierie bio-inspirée », a déclaré Socha. « Des études comme celle-ci fournissent non seulement un aperçu du fonctionnement de la mother nature, mais jettent les bases d’un design and style inspiré par la mother nature. L’évolution est le bricoleur créatif ultime, et nous sommes ravis de continuer à découvrir les options de la character à des problèmes comme celui-ci, en extrayant le vol. d’un cylindre tremblant. «