As cobras do deserto que deslizam pela areia à noite podem encontrar obstáculos como plantas ou galhos que alteram a direção de sua viagem. Ao estudar esse movimento para aprender como os animais sem membros controlam seus corpos em tais ambientes, os pesquisadores descobriram que as cobras que colidem com esses obstáculos imitam aspectos da luz ou partículas subatômicas quando encontram uma rede de difração.

O efeito dessa "difração mecânica" permitiu aos pesquisadores observar como as trajetórias das cobras foram alteradas por meio de mecanismos passivos governados pela dinâmica esquelética e muscular das ondas corporais de propagação dos animais. Os pesquisadores estudaram cobras vivas enquanto deslizavam por um obstáculo feito de seis pinos rígidos sensíveis à força que entortavam os corpos dos animais, mudando seus caminhos de maneiras previsíveis.

Os resultados, descrito em 25 de fevereiro no jornal Proceedings of the National Academy of Sciences , indicam que as cobras com nariz de pá ocidental (Chionactis occipitalis) não mudam deliberadamente de direção quando encontram obstáculos enquanto correm pela areia. Compreender o movimento desses animais sem membros pode ajudar os engenheiros a melhorar o controle de robôs autônomos de busca e resgate projetados para operar na areia, grama e outros ambientes complexos.

"A ideia por trás da dinâmica passiva é que há mudanças na forma de onda feitas pelo animal que são conduzidas inteiramente pelas propriedades passivas de seus corpos, "disse Perrin Schiebel, um recente Ph.D. graduado pela Escola de Física do Instituto de Tecnologia da Geórgia. "Em vez de enviar um sinal para ativar um músculo, a interação dos corpos das cobras com o ambiente externo é o que causa a mudança de forma. As forças dos obstáculos estão empurrando os corpos das cobras para uma nova forma. "

A cobra com nariz em forma de pá colorida normalmente usa uma onda em forma de S sinusoidal para se mover pelos desertos do sudoeste dos Estados Unidos. Correr em pinos rígidos em um ambiente de laboratório não o leva a mudar ativamente essa forma de onda, que Schiebel e colegas estudaram usando câmeras de vídeo de alta velocidade com oito animais diferentes.

Em um estudo apoiado pela National Science Foundation, Escritório de Pesquisa do Exército, Agência de Projetos Avançados de Defesa, e uma Bolsa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Defesa Nacional, os pesquisadores usaram 253 viagens de cobra para construir um padrão de difração. Notavelmente, o padrão também revelou que as direções de espalhamento foram "quantizadas" de forma que a probabilidade de encontrar uma cobra atrás da matriz pudesse ser representada em um padrão que imita a interferência de onda. Um modelo computacional foi capaz de capturar o padrão, demonstrando como a direção das cobras seria alterada por encontros com obstáculos via flambagem passiva do corpo.

"Um problema com os robôs que se movem no mundo real é que ainda não temos princípios pelos quais possamos entender a melhor forma de controlar esses robôs em superfícies granulares como areia, serapilheira, entulho ou grama, "disse Daniel Goldman, um professor da família Dunn na Escola de Física da Georgia Tech. "O objetivo deste estudo foi tentar entender como os locomotores sem membros, que têm corpos longos que podem se dobrar de maneiras interessantes usando esquemas de controle neuromecânico potencialmente complicados, conseguem se mover por terrenos complicados. "

O experimento da cobra foi sugerido por um estudo robótico feito pela colega de pós-doutorado Jennifer Rieser, que encontraram um comportamento semelhante entre robôs que encontraram obstáculos.

"O robô tende a ter aspectos que imitam características do mundo subatômico - o mundo quântico, "Goldman explicou." Quando colide com barreiras, um robô se propaga através dessas barreiras usando ondas de flexão do corpo. Sua trajetória se desvia à medida que sai das barreiras, e muitos testes repetidos revelam um padrão de dispersão "irregular", análogo a experimentos. Percebemos que poderíamos usar este fenômeno surpreendente e bonito, física clássica, mas com a autopropulsão como característica principal, como um experimento de espalhamento para interrogar o esquema de controle usado pelas cobras. "

Experimentalmente, os pesquisadores usaram uma "arena de cobra" coberta com um tapete felpudo para imitar a areia. Os alunos de graduação Alex Hubbard e Lillian Chen soltaram as cobras uma de cada vez na arena e as encorajaram a deslizar pela grade.

Os olhos das cobras do deserto são naturalmente cobertos por escamas para protegê-los. Os pesquisadores usaram pinturas faciais de crianças para "vender" temporariamente os animais para que não fossem distraídos pelos pesquisadores. A tinta não prejudicou os animais.

"Quando colocamos as cobras na arena, eles começaram a se mover usando a mesma forma de onda que usam na areia do deserto, "explicou Schiebel." Eles então encontrariam a grade de cavilha, passar por isso, e continue do outro lado ainda usando essa forma de onda. "

Em vez de continuar a viajar pela arena em linha reta, as cobras sairiam em um ângulo diferente, embora eles não tenham agarrado os postes ou os usado para ajudar em seu movimento. Schiebel trabalhou com Zeb Rocklin, um professor assistente de física da Georgia Tech, para modelar as mudanças direcionais. O modelo mostrou como as interações simples entre o padrão de onda das cobras e a grade produzem padrões de direções de espalhamento favorecidas.

"Achamos que a cobra está essencialmente operando em um modelo que os engenheiros de controle considerariam 'circuito aberto, '", disse Goldman." Ele está definindo um programa motor específico em seu corpo, que gera o padrão de onda característico, e quando colide com o obstáculo, sua mecânica corporal permite que ele deforme e mova os postes sem degradar sua velocidade. "

Goldman acredita que o trabalho pode ajudar os desenvolvedores de robôs semelhantes a cobras a melhorar seus esquemas de controle.

"Acreditamos que nossas descobertas sobre o papel da dinâmica passiva na cobra podem facilitar novos designs de robôs cobra que permitirão que eles se movam por ambientes complexos com mais fluidez, ", disse ele." O objetivo seria construir robôs de busca e resgate que possam entrar nesses ambientes complexos e ajudar os socorristas ".

E como um bônus, Goldman disse, "Nós descobrimos que a riqueza das interações entre sistemas autopropelidos como cobras e robôs com seu ambiente é fascinante do ponto de vista da física da 'matéria ativa'."