Yılanların yana doğru kıvrılması yeni robotların tasarımına ışık tutuyor

02.02.2021
93
A+
A-
Yılanların yana doğru kıvrılması yeni robotların tasarımına ışık tutuyor

Mikroskobik görünüm, yılanların karın yüzeylerindeki farklılıklarını ortaya çıkarıyor.

Çoğu yılan, vücutlarını S şekillerine bükerek ve baştan öne kayarak A’dan B’ye gider. Bununla birlikte, Kuzey Amerika, Afrika ve Orta Doğu çöllerinde bulunan birkaç türün daha tuhaf bir dolaşma yolu var. “Yan sarmalayıcılar” olarak bilinen bu yılanlar, başları yerine orta kısımlarıyla başı çekerek gevşek kum üzerinde yana doğru kayıyorlar.

Bilim adamları, benzersiz hareket yöntemlerinde bir rol oynayıp oynamadığını görmek için yan sarmalların derisine mikroskobik bir bakış attılar. Yan sarmalayıcıların karınlarının küçük çukurlarla süslendiğini ve diğer yılanların karınlarında bulunan minik sivri uçların çok azına sahip olduğunu keşfettiler.

Ulusal Bilimler Akademisi Tutanakları işlevine bu farklı yapıları birbirine bağlayan bir matematiksel model içeren keşif yayınladı.

Emory Üniversitesi’nde fizik profesörü yardımcısı ve çalışmanın ilk yazarı olan Jennifer Rieser, “Yan sarmalayıcıların uzmanlaşmış hareketi, dünyanın farklı yerlerinde farklı türlerde bağımsız olarak gelişti, bu da yana sarmanın bir soruna iyi bir çözüm olduğunu gösteriyor” diyor. “Bu yakınsak evrim örneğinin nasıl ve neden çalıştığını anlamak, onu zorlu ortamlarda hareket edebilen robotlar inşa etmek gibi kendi ihtiyaçlarımıza uyarlamamıza izin verebilir.”

Makalenin ortak yazarları arasında, bir herpetolog ve Zoo Atlanta’da araştırma direktörü olan Joseph Mendelson; evrimsel biyolog Jessica Tingle (California Üniversitesi, Riverside); ve fizikçiler Daniel Goldman (Georgia Tech) ve ortak ilk yazar Tai-De Li (New York Şehir Üniversitesi).

Yılanların yana doğru kıvrılması yeni robotların tasarımına ışık tutuyor 1
Meksikalı mızrak başlı çıngıraklı yılan (Crotalus polystictus) ileriye doğru kayarak hareket eder. Yukarıdaki çalışmada, göbeğinin derisinin bir mikrografı, normalde gözle görülemeyen sivri uçları ortaya çıkarmaktadır. Mikrograf görüntüsü, 20 mikron genişliğinde veya bir insan saçı genişliğinin yaklaşık üçte birini gösterir. Kredi bilgileri: Tai-De Li

Rieser’in araştırma ilgi alanları yumuşak madde fiziği – kum gibi akıcı malzemeler ve organizma biyolojisini bir araya getirir. Hayvanların yüzeylerinin etraflarında dolaşmak için akışkan malzemelerle nasıl etkileşime girdiğini araştırıyor. Araştırmalarından elde edilen bilgiler insan teknolojisinde gelişmelere yol açabilir.

Yılanlar ve diğer uzuvsuz lokomotorlar, Rieser için özellikle ilginçtir. “Yılanlar nispeten basit bir vücut planına sahip olsalar da, çeşitli habitatlarda başarılı bir şekilde dolaşabilirler” diyor. Uzun, esnek vücutları, cerrahi prosedürlerden yıkılmış binalardaki arama-kurtarma görevlerine kadar her şey için “yılan” robotlar üzerinde ilham verici bir çalışma olduğunu ekliyor.

Önceki bir makalede, Rieser ve meslektaşları, yılan gibi hareket edecek robotlar tasarlamanın, yollarındaki nesnelerle çarpıştıklarında felaketten kaçınmalarına yardımcı olabileceğini keşfettiler.

Çıngıraklı yılanlar ona, doğanın gevşek kum ve diğer yumuşak maddeler arasında hareket etme yollarını nasıl geliştirdiğini daha derinlemesine inceleme şansı verdi.

Yılanların yana doğru kıvrılması yeni robotların tasarımına ışık tutuyor 2
Bir yan sarmalayıcı olan Sahra kum engereğinin (Cerastes vipera) derisinin bir mikrografı, göbeğinin sivri uçlar yerine çukurlarla süslendiğini ortaya koymaktadır. Resim, yaklaşık 20 mikron genişliğinde bir yüzeyi göstermektedir. Kredi bilgileri: Tai-De Li

Çoğu yılan, öne doğru kayarken karınlarını büyük ölçüde yerle temas halinde tutma eğilimindedir ve vücutlarını başlarından kuyruklarına doğru bükerler. Bununla birlikte, bir yandan sarmalayıcı, orta bölümünü yerden kaldırarak, yana doğru kaydırır.

Önceki çalışmalar, yana sarılmanın bir yılanın kumlu yamaçlarda daha iyi hareket etmesine izin verebileceğini varsaymıştı. Rieser, “Buradaki düşünce, yan sarmalların hareket ettikçe vücutlarının zemine verdiği kuvvetleri yayması ve böylece üzerinde hareket ederken bir kumulun çığa neden olmamasıdır” diye açıklıyor.

Mevcut makale için Rieser ve meslektaşları, yan sarmalayıcıların cildinin benzersiz hareket tarzlarında bir rol oynayıp oynamayacağını araştırdılar.

Hayvanat bahçelerinde yaşayan üç tür yan sarmalayıcıya odaklandılar: Güneybatı Amerika Birleşik Devletleri ve kuzey Meksika çöllerinde bulunan yan sarmalayıcı çıngıraklı yılan (Crotalus cerastes); ve Kuzey Afrika çöllerinden Sahra boynuzlu engerek (Cerastes cerastes) ve Sahra kum engereği (Cerastes vipera).

Yan sarmallardan dökülen deriler toplandı ve atomik seviyede çözünürlük sağlayan bir teknik olan atomik kuvvet mikroskobu ile nanometrenin fraksiyonları sırasına göre tarandı. Karşılaştırma için, yan sarmal olmayanlardan dökülen yılan derilerini de taradılar.

Beklendiği gibi, mikroskopi, yan sarmal olmayanların derisinde küçük, baştan kuyruğa işaret eden sivri uçlar ortaya çıkardı. Önceki araştırmalar, bu mikro sivri uçları çeşitli diğer sürünen yılanlarda tanımlamıştı.

Ancak mevcut çalışma, yan sarıcıların cildinin farklı olduğunu buldu. İki Afrikalı yan sarmalın karınlarında mikro çukurlar vardı ve sivri uçları yoktu. Yan sarmalayıcı çıngıraklı yılanın derisi, kayan yılanlardan çok daha az sivri olmasına rağmen, birkaç, çok daha küçük sivri uçlarla birlikte minik çukurlarla süslenmişti.

Araştırmacılar, bu farklı yapıların bir yüzeyle sürtünme etkileşimlerini nasıl etkilediğini test etmek için matematiksel bir model oluşturdular. Model, baştan sona işaret eden sivri uçların ileriye doğru dalgalanmanın hızını ve mesafesini artırdığını, ancak yan sarmaya zararlı olduğunu gösterdi.

Rieser, “Bunu kadife kumaş üzerindeki çıkıntılar gibi düşünebilirsiniz,” diyor. “Parmaklarınızı kadife boyunca sırtlarla aynı yönde gezdirdiğinizde, parmaklarınızı çıkıntılar boyunca kaydırdığınızdan daha az sürtünme olur.”

Model ayrıca, yuvarlak çukurların tekdüze, yönsüz yapısının yandan sarmayı artırdığını, ancak ileri dalgalanma için sivri uçlar kadar verimli olmadığını gösterdi.

Araştırma, yakınsak evrim zamanının farklı noktalarında anlık görüntüler sağlıyor – farklı türler benzer ortamlara uyum sağlama zorunluluğunun bir sonucu olarak benzer özellikleri bağımsız olarak geliştirdiğinde.

Rieser, Amerikan kumlu çöllerinin Afrika’dakilerden çok daha genç olduğunu belirtiyor. Kuzey Amerika’nın Mojave’si yaklaşık 20.000 yıl önce kum biriktirirken, Sahra bölgesinde kumlu koşullar en az yedi milyon yıl önce ortaya çıktı.

“Bu, yan sarmalayıcı çıngıraklı yılanın karnında neden hala birkaç mikro sivri kaldığını açıklayabilir” diyor. “Kumlu bir çevre için özel bir hareket kabiliyeti geliştirmek için, şimdiden tüm sivri uçlarını kaybetmiş olan iki Afrika türü kadar zaman olmadı.”

Rieser, mühendislerin robot tasarımlarını da buna göre uyarlamak isteyebileceğini ekliyor. “Bir robotun hareket etmesi için ne tür bir yüzeye ihtiyacınız olduğuna bağlı olarak,” diyor, “hareketini geliştirmek için yüzeyini belirli bir dokuya sahip olacak şekilde tasarlamayı düşünebilirsiniz.”

Kaynak: Ulusal Bilimler Akademisi Bildirileri

ZİYARETÇİ YORUMLARI - 0 YORUM

Henüz yorum yapılmamış.