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神秘的飞行蛇移动解决了三维建模和运动捕捉

跨学科研究团队发现,这种动作增强了天堂金花的旋转稳定性。

构成Chrysopelea家族的蛇是唯一已知的能够飞行的无肢脊椎动物。科学家们已经知道了这一点,但还没有完全解释它。

当天堂树蛇从一根高高的树枝飞到另一根树枝上时,它的身体就像一幅绿色的草书在一片空白的蓝天上荡漾。Chrysopelea家族是目前所知的唯一能飞行的无肢脊椎动物。科学家们已经知道了这一点,但还没有完全解释它。

二十多年来,生物医学工程与力学系的教授杰克·索查一直试图测量和模拟蛇飞行的生物力学,并回答有关蛇飞行的问题,如空中波动的功能作用。为了发表在《自然物理》杂志上的一项研究,Socha召集了一个跨学科的团队,开发了第一个连续的、在解剖学上精确的飞行中的天堂Chrysopelea 3D数学模型。

这个团队包括Kevin T. Crofton航空航天和海洋工程系的教授Shane Ross,以及机械工程博士研究生Isaac Yeaton和论文的第一作者,在测量了100多条活蛇滑行后开发出了3D模型。该模型将波浪的频率、方向、作用在物体上的力和质量分布等因素考虑在内。利用它,研究人员进行了虚拟实验来研究空中波动。

在一组实验中,为了了解为什么波动是每次滑翔的一部分,他们模拟了如果没有波动会发生什么。当他们的虚拟飞行蛇不能再在空中波动时,它的身体开始翻滚。该测试与模拟滑行相结合,以保持波动波的运行,证实了研究小组的假设:空中波动增强了飞行蛇的旋转稳定性。

关于飞行和运动的问题充满了索查的实验室。这个小组把他们对飞行蛇的研究放在了研究青蛙如何从水里跳跃而过,血液如何流过昆虫,以及鸭子如何在池塘里降落的中间。在某种程度上,探测波动在蛇滑行中的功能作用对索查来说是很重要的,因为很容易假设它并没有真正的作用。

我们知道蛇的波动有各种原因,在各种移动环境下,Socha说。那是他们的基础课程。说到程序,我指的是他们的神经和肌肉程序。本;他们正在接受特定的指令:现在就发射这条肌肉,发射那条肌肉,发射这条肌肉。是古老的。它不仅仅是蛇。创造波动的模式是旧的模式。很有可能一条蛇飞到空中,然后它就走了,我该怎么办?我一条蛇啦。我呈波浪形.’”;

但索查相信还有更多。在天堂树蛇的整个飞行过程中,许多事情同时发生,用肉眼很难理清它们。Socha描述了每次滑翔的几个步骤。读起来像是有意的步骤。

首先,蛇会跳跃,通常会将身体弯曲成一个环形。然后跳出来。当它发动的时候,蛇重新塑造了它的形状,它的肌肉移动,使它的身体舒展开来,除了尾巴。身体变成了一只变形的翅膀。当它在重力作用下加速向下时,空气流过它会产生升力和阻力。Socha在多项研究中研究了这些空气动力特性。随着它的扁平,蛇的身体会产生波动。

在这项研究的开始,Socha有一个关于空中波动的理论,他通过比较两种类型的飞机来解释:大型喷气式飞机和喷气式战斗机。他说,大型喷气式飞机的设计目的是为了保持稳定,在受到干扰时,它们会自动恢复水平飞行,而喷气式飞机则会失去控制。

那么蛇会是哪条呢?

它是像一架大型喷气式飞机,还是它本身就不稳定?Socha说。这种波动可能是它对付稳定的一种方式吗?

他相信蛇会更像一架战斗机。

为了测试波动对稳定性的重要性,该团队着手开发一个可以模拟滑行的3D数学模型。但首先,他们需要测量和分析真正的蛇滑翔时的行为。

2015年,研究人员收集了131条天堂树蛇实时滑翔的动作捕捉数据。他们将莫斯艺术中心四层楼高的黑箱形剧场“魔方”改造成室内滑翔场,并使用其中的23台高速摄像机捕捉蛇类。当他们从27英尺高的地方跳下时,从一棵橡树的树枝上剪刀升降机。然后滑翔到下面的一棵人造树上,或者滑翔到周围的软泡沫上。

摄像机会熄灭红外光,所以蛇身上有11到17个点用红外反射胶带做标记,这样动作捕捉系统就能探测到蛇随时间变化的位置。确定测量点的数量是研究的关键;在过去的实验中,索查在蛇身上画了三个点,然后是五个点,但是这些数字并不能提供足够的信息。来自较少视频点的数据只提供了粗略的理解,使得产生的模型出现起伏和低保真度的波动。

研究小组发现最佳点在11到17分之间,这提供了高分辨率数据。有了这个数字,我们可以得到一个平滑的蛇的代表,和一个准确的代表,Socha说。

研究人员在将之前收集到的质量分布和空气动力学数据折叠起来的同时,对蛇的运动进行数字化和再现,进而建立了3D模型。作为动态建模的专家,罗斯从航天器运动的工作中获得灵感,指导Yeaton&rsquo在连续模型上的工作。

从2013年起,他就和Socha一起制作飞行蛇的模型,他们之前的模型对蛇的身体进行了部分处理。首先分为三个部分,主干,中间部分和末端部分,然后是一堆链接。这是第一个连续的,罗斯说。它像一条缎带。在这一点上,它是最现实的。

在虚拟实验中,模型显示,空中的波动不仅能防止蛇在滑翔过程中翻倒,还能增加水平和垂直距离。

罗斯看到了蛇形在飞盘旋转中的波动:往复运动增加了旋转的稳定性,导致更好的滑翔。他说,通过波动,蛇能够平衡它扁平的身体所产生的升力和拉力,而不是被它们压倒倒在地上,这样它就能走得更远。

实验还向研究小组揭示了他们以前无法想象的细节。他们发现蛇在波动时使用了两种波:一种振幅较大的水平波和一种新发现的振幅较小的垂直波。这些波同时从一边到另一边、上下移动,数据显示,垂直波的移动速度是水平波的两倍。这真的,真的很奇怪,Socha说。这种双波只在另一种蛇身上发现过,那就是响尾蛇,但它的波的频率是一样的。

这项研究的强大之处在于,我们能够极大地提高对滑翔运动学的理解和对系统建模的能力。Yeaton说。蛇的飞行是很复杂的,要让蛇配合通常是很棘手的。要使计算模型精确,还需要许多复杂的地方。但是把所有的碎片放在一起是令人满意的。

这么多年来,我看了将近一千次滑翔,Socha说。每次看一看仍然令人惊叹。亲自去看,会有一点不同。是仍然令人震惊。这只动物到底在做什么?多年以后,能够回答我从研究生时代就有的问题,是一种令人难以置信的满足。

Socha认为,造成真实和模拟滑翔实验的一些因素是他无法控制的。一次偶然的机会把他带到了室内滑翔体育馆:在莫斯艺术中心开业几年后,创意、艺术与技术研究所(ICAT)的媒体工程师坦纳·厄普西格罗夫(Tanner Upthegrove)问他是否想过在这个立方体里工作。

“;是立方体?”;他问道。当厄普斯格罗夫向他展示空间时,他被击倒在地。它似乎是为索查的实验而设计的。

在某些方面,的确是这样。ICAT的许多项目使用了立方体的先进技术,一个不同于世界上任何其他工作室,揭示了通常看不到的东西,ICAT的创始董事本·纳普(Ben Knapp)说。科学家、工程师、艺术家和设计师在这里联合起来,建立、创造和创新新的方法来应对世界上最严峻的挑战。

在中心的一个特色项目中,身体,充满了时间,媒体和视觉艺术家利用空间捕捉舞者的身体动作,进行身临其境的表演。用蛇换舞者,Socha充分利用了cubes的动作捕捉系统。摄制组可以移动相机,为蛇的路径优化位置。他们利用空间顶部的格子结构,设置了两个向下的摄像头,提供了蛇的头顶视野,这是他们以前从未做到的。

Socha和Ross认为他们的3D模型有潜力继续探索蛇的飞行。该团队计划进行户外实验,从较长时间的滑翔中收集运动数据。他们希望有一天能够跨越生物现实的边界。

现在,他们的虚拟飞行蛇总是滑翔下来,就像真的动物一样。但如果他们能让它移动,让它真的开始上升呢?真正飞吗?罗斯说,这种能力有可能被植入机器蛇的算法中,这些算法在搜索、救援和灾害监测方面有着令人兴奋的应用。

蛇非常擅长在复杂的环境中移动,罗斯说。如果你能加入这种新模式,它不仅可以在自然环境中工作,也可以在城市环境中工作。

在某些方面,弗吉尼亚理工大学是一个生物灵感工程的中心,Socha说。像这样的研究不仅提供了洞察自然是如何运作的,而且为受自然启发的设计奠定了基础。进化是终极的创造性修补匠,我们很兴奋地继续发现大自然解决问题的方法,就像这个问题,从摆动的圆柱体中解脱出来。

参考例句:波动使飞行的蛇能够滑翔。作者:Isaac J. Yeaton, Shane D. Ross, Grant A. Baumgardner and John J. Socha, Nature Physics, 2020年6月29日。

DOI: 10.1038 / s41567 - 020 - 0935 - 4

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