У слонов на хоботе сотни крошечных усов, работающих как точные датчики

Фото из открытых источников

Слоны могут поднять тяжелое бревно, а через несколько мгновений — подобрать что-нибудь такое хрупкое, как кукурузные чипсы, не раздавив его. 

Новое исследование предполагает, что часть этой ловкости обусловлена удивительной особенностью: крошечными усами на хоботке, которые предназначены для того, чтобы «сообщать» животному точное место контакта, даже если у него толстая кожа и плохое зрение. Результаты исследования опубликованы в журнале Science.

Исследование проводилось в рамках междисциплинарного сотрудничества в Германии под руководством отдела тактильного интеллекта Института интеллектуальных систем им. Макса Планка (MPI-IS). 

Исследовательская группа сообщает, что примерно 1000 усов, покрывающих хобот слона, обладают необычными материальными свойствами, которые помогают кодировать тактильные ощущения по всей длине каждого уса, что наделяет слонов удивительно информативным чувством контакта.

В основе исследования лежит конструктивная особенность, которую исследователи называют «функциональным градиентом». Вместо того чтобы иметь одинаковую жесткость от основания до кончика, слоновьи усы изначально жесткие и постепенно становятся мягче к концу. 

Исследователи обнаружили подобный градиент жесткости в усах домашних кошек. Это отличается от усов крыс и мышей, которые, как считается, имеют более равномерную жесткость.

Этот переход от жесткого к мягкому, по-видимому, выполняет сразу несколько полезных функций. Он позволяет усам более мягко касаться предметов, снижает вероятность поломки и – что наиболее важно для слонов – обеспечивает встроенный способ определения места контакта усов с поверхностью. 

Примерно 1000 усиков, расположенных по всему туловищу, могут образовывать богатую, подробную «карту тактильных ощущений», помогающую направлять тонкие движения.

Исследователи считают, что это одна из причин, почему слоны могут точно хватать мелкие предметы, такие как арахис, или обращаться с хрупкой пищей, не ломая ее. 

Команда также утверждает, что эти данные могут быть полезны для робототехники, где инженеры постоянно стремятся создавать сенсорные датчики, которые были бы одновременно чувствительными и надежными.

Работу возглавляли Эндрю К. Шульц и Кэтрин Дж. Кухенбекер из Института Макса Планка-Иль, а также нейробиологи из Берлинского университета имени Гумбольдта и материаловеды из Штутгартского университета.

Проект начался с естественного пересечения биомеханики и робототехники. Шульц, ведущий автор исследования, описал эту отправную точку.

«Я приехал в Германию как эксперт по биомеханике слонов и хотел изучить робототехнику и сенсорные технологии», — сказал Шульц. «Мой научный руководитель, профессор Кухенбекер, является экспертом в области тактильной обратной связи и тактильной робототехники, поэтому для нас было естественным объединить усилия в разработке методов распознавания прикосновений с помощью слоновьих усов».

Затем команда использовала сочетание биологической визуализации, испытаний материалов и инженерного анализа. Они исследовали пятисантиметровые усы слонов и кошек на невероятно малых масштабах, вплоть до нанометрового уровня.

Первоначально исследователи предполагали, что слоновьи усы будут похожи на сужающиеся усы крыс и мышей: круглые в поперечном сечении, твердые и примерно однородные по жесткости. Однако визуализация выявила нечто гораздо более сложное.

Используя микрокомпьютерную томографию, команда составила карту трехмерной структуры этих «усиков» и обнаружила, что они толстые, имеют форму лезвия и уплощенное поперечное сечение. 

Основание полое, а внутри находятся длинные каналы — элементы, которые больше напоминают строение овечьих рогов и лошадиных копыт, чем обычные усы. 

Такая пористая внутренняя структура снижает вес и повышает ударопрочность, что вполне логично для животного, которое большую часть дня проводит, толкая, тяня и питаясь.

Прочность имеет значение, потому что, как отмечается в исследовании, эти «усики» на стволе не отрастают. Поэтому структура должна выдерживать постоянный ежедневный износ.

Для измерения жесткости материала команда использовала наноиндентирование с помощью крошечного алмазного кубического индентора — размером примерно с одну клетку — который вдавливался в стенки волокон в разных точках. Именно здесь «функциональный градиент» стал безошибочно узнаваемым.

Вмятины у основания и на кончике показали переход от жесткого, похожего на пластик основания к мягкому, похожему на резину кончику. Кончик также продемонстрировал упругость, то есть его нельзя было окончательно вдавить, как это возможно с более жесткими материалами.

Они сравнили усы на хоботе со слоновьей шерстью на теле, ожидая схожего поведения. Вместо этого шерсть на теле повела себя так, как команда изначально и предсказывала — она стала жесткой по всей длине. 

«Волоски на голове, теле и хвосте азиатских слонов жесткие от основания до кончика, чего мы и ожидали, обнаружив удивительный градиент жесткости усиков слоновьего хобота», — сказал Шульц.

В тот момент главный вопрос стал очевиден. Почему изменение жесткости вдоль «усика» помогает в восприятии информации?

Шульц и его коллеги создали увеличенный прототип: напечатанный на 3D-принтере «усик» с жестким темным основанием и мягким прозрачным кончиком. Эта «палочка-усик» позволила им физически проверить, какие ощущения может вызывать градиент при контакте.

Затем настал момент, когда идея наконец-то осуществилась. Кухенбекер прошлась по институту, держа в руках «волшебную палочку» и слегка постукивая по перилам и колоннам. 

«Я заметила, что при постукивании по перилам разными частями щетки-«усов» ощущения были разными — мягкими и нежными на кончике и острыми и сильными у основания. Мне не нужно было смотреть, чтобы понять, где происходит контакт; я просто чувствовала это», — сказала она.

Этот простой опыт натолкнул на важный принцип: различия в жесткости могут создавать отчетливые тактильные ощущения, эффективно указывая на место контакта по всей длине «усика».

Чтобы более тщательно проверить эту идею, исследователи разработали набор инструментов для компьютерного моделирования. Они использовали его для изучения того, как геометрия, пористость и градиент жесткости усиков влияют на то, как усик изгибается и передает силы при соприкосновении с каким-либо объектом.

Результаты моделирования подтвердили их гипотезу. Переход от жесткого к мягкому усикам облегчает определение мест контакта, помогая животному адекватно реагировать и обращаться с хрупкими предметами, не сжимая их слишком сильно.

«Это просто потрясающе! Градиент жесткости создает карту, позволяющую слонам определять места контакта вдоль каждого уса», - подытожил результат Шульц. «Это свойство помогает им определять, насколько близко или далеко их хобот находится от объекта… всё это заложено в геометрии, пористости и жёсткости усиков. Инженеры называют это природное явление воплощённым интеллектом».

Примечательно, что команда обнаружила, что у домашних кошек наблюдается тот же общий градиент жесткости, что указывает на то, что эта стратегия может быть полезна для совершенно разных животных по несколько иным причинам.

Исследователи утверждают, что полученные результаты — это не просто забавная история о животных. Они также могут вдохновить на создание новых конструкций для роботизированных систем тактильного восприятия, особенно подходов, которые меньше полагаются на сложные вычисления и больше — на продуманный физический дизайн.