У Морского конька оказался квадратный хвост

Международная группа исследователей изучила хвост морского конька, чтобы понять, какие структуры помогают ему удерживать животное подобно захвату возле растений или каких-то других предметов. Как оказалось, хвост состоит из квадратных перекрывающих друг друга сегментов. Такая структура позволяет ему быть более прочным и лучше захватывать объекты.

Предполагается, что научная работа вдохновит других учёных на создание новых роботов и медицинских приборов.

"Как правило, сегменты хвостов у других животных имеют круглую или овальную форму, но у морского конька всё иначе. Мы долгое время задавались вопросом, почему, и обнаружили, что хвосты с квадратными сегментами проявляют себя лучше, когда дело доходит до прочности и способности к захвату", – рассказывает доцент машиностроения Майкл Портер (Michael Porter) из университета Клемсона, ведущий автор исследования.

Также учёные заметили, что квадратные сегменты делают хвост морского конька жёстче, сильнее и более устойчивым к деформациям. Как правило, в других случаях улучшение одной из этих характеристик будет ослаблять как минимум одну из остальных. Портер и его коллеги задались целью выяснить, почему в данном случае это не так.

Исследователи выяснили, что квадратные сегменты движутся относительно друг друга лишь с одной степенью свободы ― они скользят под воздействием давления. У круглых пластин две степени свободы: они и скользят, и вращаются. Но плюс квадратных пластин в том, что они поглощают больше энергии перед тем как начинают разрушаться.

Исследователи обнаружили, что квадратные сегменты хвоста создают несколько контактных точек с поверхностью — такой захват эффективнее

В ходе своих экспериментов учёные использовали множество передовых методов, в том числе напечатали трёхмерную модель хвоста морского конька и провели с этой моделью ряд экспериментов, а также напечатали аналогичную модель, но с круглыми сегментами (на деле такого в природе у настоящих морских коньков не встречается).

"Новые технологии, такие как 3D-печать, позволяют имитировать биологические конструкции, а также создавать гипотетические модели, которые не встречаются в природе, – рассказывает Портер. – Таким образом, мы можем сопоставить эти две структуры, объяснить определённые их параметры, а также получить вдохновение для создания новых инженерных приложений".

Исследование основывается на работе, которую Портер начал ещё во время своей учёбы в Калифорнийском университете в Сан-Диего вместе с Домиником Адриансом (Dominique Adriaens), профессором эволюционной биологии, а также профессорами инженерии Джоанной МакКитрик (Joanna McKittrick) и Марком Майерсом (Marc Meyers).

"Майкл решил использовать современные технологии, чтобы объяснить биологические особенности, – поясняет МакКитрик. – С их помощью можно создавать упрощённые модели и изучить их в лаборатории. Тогда вы можете создавать новые вдохновлённые биологией структуры и устройства".

Когда исследователи поворачивали объёмную модель хвоста морского конька, они обнаружили, что пластины взаимодействуют друг с другом. Это ограничивает диапазон движения хвоста примерно наполовину по сравнению с моделью из круглых сегментов, однако после искажения "квадратная" модель вернулась к своей изначальной форме значительно быстрее и с меньшими затратами энергии. Исследователи предполагают, что такая "неудобная" структура может защищать хвост от повреждений.

Также учёные заметили, что квадратные хвостовые сегменты создавали больше контактных точек с поверхностью, то есть захват был гораздо крепче, нежели в случае круглых сегментов.

Все эти данные важны, поскольку главные враги морского конька – хищные морские птицы – стараются захватить свою добычу клювами.

Портер полагает, что полученные в ходе исследования данные могут пригодиться и в реальной жизни. В частности, структура хвоста морского конька может лечь в основу конструкции захвата-манипулятора, который сможет работать в агрессивных средах, а также учитываться при создании медицинских катетеров нового поколения и новой робототехники.

Научная статья Портера и коллег была опубликована в журнале Science.