Le modèle 3D montre comment le serpent de l'arbre paradisiaque vole à l'aide d'une ondulation aérienne

Lorsque le serpent de l'arbre paradisiaque vole d'une branche haute à une autre, son corps ondule de 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 plus 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 questions à leur sujet, comme celle du rôle fonctionnel de l'ondulation aérienne.

Pour une étude publiée par Physique de la nature, Socha a réuni une équipe interdisciplinaire pour développer le premier modèle mathématique 3D continu et anatomiquement précis de Chrysopelea paradisi en vol.

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 document, a développé le modèle 3D après avoir mesuré plus de 100 serpents vivants. glisse.

Le modèle tient compte des fréquences des ondes ondulantes, de leur direction, 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 plus onduler en vol, son corps a commencé à s'effondrer. Le test, 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 important pour Socha de sonder le rôle fonctionnel de l'ondulation dans les glissements de serpent, car 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. Voilà leur programme basal. Par programme, je veux dire leur programme neuronal et musculaire? – ils reçoivent des instructions spécifiques: tirez ce muscle maintenant, tirez ce muscle, tirez ce muscle. C'est ancien. « 

Jake Socha, professeur, Département de génie biomédical et mécanique, Virginia Tech

Cela va au-delà des serpents. Ce modèle de création d'ondulations est ancien. Il est tout à fait possible qu'un serpent s'envole, puis il dit: «Que dois-je faire? Je suis un serpent. Je ondule. «  »

Mais Socha croyait qu'il y avait beaucoup plus 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 ont lieu à chaque glissement? – 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 muscles 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, car 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 expliqua en comparant deux types d'avions: les gros porteurs et les chasseurs. Les gros porteurs 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 deviennent incontrôlables.

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 plus à un avion de chasse.

Pour effectuer des tests sur l'importance de l'ondulation pour la stabilité, l'équipe a décidé 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 capture 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 Center, 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 branche d'arbre au sommet d'un pont élévateur à ciseaux – et a glissé vers le bas jusqu'à un arbre artificiel en dessous, ou sur le rembourrage en mousse souple environnant, l'équipe a mis 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 long de leur corps, permettant au système de capture 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 points, 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 point 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. Expert 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 parties – d'abord en trois parties, comme un tronc, un milieu et une extrémité, puis comme un tas de liens. « C'est le premier qui soit continu », a déclaré Ross. « C'est comme un ruban. C'est le plus réaliste à ce point. »

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 plus 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 plus 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 plus 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 chose d'un peu différent. C'est encore choquant. Que fait exactement cet animal? Être capable de répondre aux questions que je me suis posé depuis que je suis étudiant diplômé, beaucoup, plusieurs années plus 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 Center, 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 Cube? » 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 plus grands défis du monde. »

Dans l'un des projets phares du centre, « Body, Full of Time », les artistes médiatiques et visuels ont utilisé l'espace pour capturer le mouvement des mouvements corporels des danseurs pour une performance immersive.

Échangeant des danseurs contre des serpents, Socha a pu tirer le meilleur parti du système de capture de mouvement du Cube. L'équipe pouvait déplacer les caméras, optimisant leur position 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 moment, 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 commence à monter? Pour voler vraiment? Cette capacité pourrait potentiellement être intégrée dans les algorithmes des serpents robotiques, qui ont des applications 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 nature, mais jettent les bases d'un design inspiré par la nature. L'évolution est le bricoleur créatif ultime, et nous sommes ravis de continuer à découvrir les solutions de la nature à des problèmes comme celui-ci, en extrayant le vol. d'un cylindre tremblant. «