Лягушки-сверчки, обитающие в Виргинии и Северной Каролине, демонстрируют невероятную способность бегать по поверхности воды, бросая вызов нашим представлениям о физике и поведении животных. Новое исследование выявило, что то, что кажется водным танцем, на самом деле является серией быстрых погружающихся прыжков. Это удивительное понимание улучшает наше понимание передвижения животных и имеет потенциальные последствия для разработки передовой робототехники и дронов-амфибий, вдохновленных природой.
Лягушки, прыгающие по воде
Могут лягушки ходить по воде?
Некоторые виды лягушек очаровывают как ученых, так и любителей природы своей, казалось бы, невозможной прыгать и прыгать по воде, словно бросая вызов гравитации. на воде не только интригуют, но также могут предложить идеи, которые могут сформировать будущие инновации в робототехнике, дизайне водных судов и других технологиях.
Джейк Соча, профессор машиностроения имени Сэмюэля Геррика, возглавляет исследовательскую группу, исследующую уникальный навык лягушки-сверчка под названием «прыгать». Этот термин относится к способности лягушки совершать несколько быстрых прыжков через поверхность воды. Их выводы, подробно опубликованные в Журнал экспериментальной биологии, включают аспиранта Талию Вайс как ведущего автора исследования.
«Скиттеринг на самом деле не четко определенное слово для такого поведения — один натуралист использовал его, чтобы описать поведение «прыжков по воде» у лягушек в 1949 году, и с тех пор оно используется для этого типа передвижения во всей следующей литературе, – сказал Вайс. «Частью этого исследования является не только изучение такого поведения лягушек-сверчков, но и попытка дать «скиттеру» более точное научное определение».
Уникальная механика передвижения
Как они это делают? В своих исследованиях члены команды Socha обнаружили, что общее мнение утверждает, что лягушка пересекает воду, не погружаясь, но для этого может потребоваться узкоспециализированная анатомия. Что есть у этой лягушки, чего нет у других?
"Наша лаборатория изучила ряд животных, и многие из них демонстрируют увлекательное поведение в навигации в окружающей среде", - сказал Соча. «Скромная лягушка-сверчок живет неподалеку, но она все равно удивила нас своими способностями, еще больше побуждая наш интерес к пониманию живого мира.
Статистика высокоскоростной видеосъемки
Лягушки-сверчки — одни из самых маленьких лягушек в Северной Америке, они легко сидят на большом пальце руки среднего взрослого человека. Чтобы наблюдать за лягушкой-сверчком в движении, члены команды использовали высокоскоростную видеосъемку. Они записали, как лягушка прыгает как на суше, так и в воде, наблюдая за движением их кавычек, когда они двигались обоими.
Команда обнаружила, что лягушки на самом деле утопают с каждым прыжком. что каждый раз, когда лягушка спускалась с прыжка, все ее тело погружалось. лягушку, которая свободно прыгает и пляшет по воде, а больше напоминал хлоп и скачок.
Динамика прыжков лягушки
Причина того, что лягушки-сверчки раньше казалось танцующими по воде, если смотреть на них глазами, заключается в их быстром движении. Чтобы записать это сверхбыстрое движение, команда использовала 20-галлонный стеклянный резервуар и выпустила туда лягушек. Высокоскоростные камеры, снимавшие до 500 кадров в секунду, направлены со стороны стеклянного резервуара, чтобы зафиксировать действие над и под поверхностью воды. Когда лягушки прыгали, команда зафиксировала их бегство. Видео было замедлено до небольшой доли начальной скорости. Когда они просмотрели кадры, члены команды сделали свое удивительное наблюдение: лягушки действительно утонули.
Выявление замедленных наблюдений
"Удивительно, как легко мы можем обмануть быстрые движения животных", - сказал Соха. «Здесь нас вводит в заблуждение лягушка, которая выглядит как прыгающий камень, но на самом деле прыгает и бросает несколько раз подряд. Лягушки прекрасно прыгают, но большинство из них не проявляют такого поведения, как морские свиньи, и мы до сих пор не знаем почему. Есть ли что-то особенное в прыжке лягушки или дело просто в маленьком размере тела?»
Наблюдая за ними в замедленной съемке, члены команды могли наблюдать движение лягушки, когда она втягивала и разгибала конечности. Они также заметили, что угол его тела к ватерлинии играл немаловажную роль, давая ему возможность балансировать в воде. Они разделили каждый цикл прыжка на:
- Взлет, из подводного положения
- Aerial, или время в воздухе после прыжка
- Повторное мероприятие, обратно в воду
- Восстановление, сброс до следующего прыжка
Чуть больше, чем за одну секунду, лягушка взмыла, будучи полностью погруженной, вытянув ноги в подводном толчке, чтобы поднять свое тело над поверхностью. Его задние лапы оставались вытянутыми во время движения в воздухе, а передние ноги двигались от прижима к телу, чтобы потянуться вперед. Вытянутые передние ноги первыми касаются воды при повторном вхождении, а задние все еще вытянуты, когда он тонет. Когда он опускается, задние ноги втягиваются и сгибаются назад в положение для прыжка. Выполняется еще один скачок, повторяя движение.
Это, в сущности, провал живота. Команда наблюдала, как лягушки совершали восемь прыжков подряд, каждый из которых был полностью выполнен менее чем за секунду.
Последствия для технологии и робототехники
Понимание скитеринга является важным открытием для царства биологии, но содержит и другие ключи. Это открытие создает новую физическую базу для будущей биотехники. Его можно применить к системе тестирования воды, которую необходимо быстро развернуть, или к беспилотнику-амфибии, проводящему измерение глубины воды. Эти футуристические устройства могут использовать подсказки природы, чтобы использовать хорошо проверенные методы, которыми лягушки пользуются веками.