Mechanical diffraction reveals the role of passive dynamics in a slithering snake
Mechanical diffraction reveals the role of passive dynamics in a slithering snake
复制标题
机械衍射揭示了被动动力学在蛇滑行中的作用
DOI：
10.1073/pnas.1808675116
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发表时间：
2019
期刊：
影响因子：
--
通讯作者：
Goldman, Daniel I.
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Schiebel, Perrin E.;Rieser, Jennifer M.;Hubbard, Alex M.;Chen, Lillian;Rocklin, D. Zeb;Goldman, Daniel I.
像蛇这样的无肢动物生活在大多数陆地环境中，通过与异质体的接触产生推力来克服细长身体上的阻力。一些蛇复杂的身体姿势和大多数陆地材料的未知物理学阻碍了对有效运动策略的理解。因此，人们对无肢动物如何应对意外的障碍物接触知之甚少。我们研究了一种沙漠蛇，Chionactis occipitalis，它使用一种固定的头到尾行波在均匀的沙子上快速移动。在实验室实验中，我们让蛇在一个均匀的基底上移动，并通过一系列规则的力敏感柱。蛇被阵列重新定向，其方式让人想起亚原子粒子的物质波衍射。力模式表明动物没有改变其自身变形模式以避免或抓住柱子。一个模型，采用开环控制，结合先前描述的蛇肌肉激活模式和身体屈曲动力学再现了观察到的模式，这表明类似的控制策略可以使用的动物。我们的研究结果揭示了被动动力学如何通过允许在异构环境中以最小的感知进行鲁棒传输来使无肢运动受益。
Limbless animals like snakes inhabit most terrestrial environments, generating thrust to overcome drag on the elongate body via contacts with heterogeneities. The complex body postures of some snakes and the unknown physics of most terrestrial materials frustrates understanding of strategies for effective locomotion. As a result, little is known about how limbless animals contend with unplanned obstacle contacts. We studied a desert snake,Chionactis occipitalis, which uses a stereotyped head-to-tail traveling wave to move quickly on homogeneous sand. In laboratory experiments, we challenged snakes to move across a uniform substrate and through a regular array of force-sensitive posts. The snakes were reoriented by the array in a manner reminiscent of the matter-wave diffraction of subatomic particles. Force patterns indicated the animals did not change their self-deformation pattern to avoid or grab the posts. A model using open-loop control incorporating previously described snake muscle activation patterns and body-buckling dynamics reproduced the observed patterns, suggesting a similar control strategy may be used by the animals. Our results reveal how passive dynamics can benefit limbless locomotors by allowing robust transit in heterogeneous environments with minimal sensing.
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