Quando a cobra da árvore do paraíso voa de um galho alto para outro, seu corpo ondula como uma letra cursiva verde em um bloco vazio de céu azul. Esse movimento, ondulação aérea, acontece em cada deslize feito por membros da família Crisopeléia, os únicos vertebrados sem membros conhecidos capazes de voar. Os cientistas sabem disso, mas ainda não o explicaram completamente.

Por mais de 20 anos, Jake Socha, professor do Departamento de Engenharia Biomédica e Mecânica da Virginia Tech, tem procurado medir e modelar a biomecânica do voo da cobra e responder a perguntas sobre eles, como o papel funcional da ondulação aérea. Para um estudo publicado por Física da Natureza , Socha montou uma equipe interdisciplinar para desenvolver o primeiro contínuo, modelo matemático 3-D anatomicamente preciso de Chrysopelea paradisi em vôo.

O time, que incluiu Shane Ross, professor do Departamento de Engenharia Aeroespacial e Oceânica de Kevin T. Crofton, e Isaac Yeaton, recentemente graduado em doutorado em engenharia mecânica e autor principal do artigo, desenvolveu o modelo 3-D após medir mais de 100 deslizes de cobra viva. O modelo considera as frequências das ondas ondulantes, a direção deles, forças agindo sobre o corpo, e distribuição em massa. Com isso, os pesquisadores realizaram experimentos virtuais para investigar a ondulação aérea.

Em um conjunto desses experimentos, para aprender porque a ondulação faz parte de cada planeio, eles simularam o que aconteceria se não fosse - desligando-o. Quando sua cobra voadora virtual não conseguia mais ondular aericamente, seu corpo começou a ruir. O teste, emparelhado com deslizamentos simulados que mantiveram as ondas de ondulação indo, confirmou a hipótese da equipe:a ondulação aérea aumenta a estabilidade rotacional em cobras voadoras.

Questões de vôo e movimento enchem o laboratório de Socha. O grupo ajustou seu trabalho sobre cobras voadoras entre os estudos de como sapos saltam da água e deslizam sobre ela, como o sangue flui através dos insetos, e como os patos pousam em lagos. Em parte, era importante para Socha sondar o papel funcional da ondulação nos deslizamentos de cobra porque seria fácil presumir que ela realmente não tinha um.

"Sabemos que as cobras ondulam por todos os tipos de razões e em todos os tipos de contextos locomotores, "disse Socha." Esse é o programa basal deles. Por programa, Quero dizer seu neural, programa muscular? - eles estão recebendo instruções específicas:ative este músculo agora, atire esse músculo, disparar esse músculo. É antigo. Vai além das cobras. Esse padrão de criação de ondulações é antigo. É bem possível que uma cobra fique no ar, então vai, 'O que eu faço? Sou uma cobra. Eu ondulo. '"

Mas Socha acreditava que havia muito mais do que isso. Ao longo do voo da cobra-árvore do paraíso, tantas coisas acontecem ao mesmo tempo, é difícil desvendá-los a olho nu. Socha descreveu algumas etapas que ocorrem a cada deslize - etapas que parecem intencionais.

Primeiro, a cobra pula, geralmente curvando seu corpo em um "J-loop" e saltando para cima e para fora. À medida que é lançado, a cobra reconfigura sua forma, seus músculos mudando para achatar seu corpo em todos os lugares, exceto na cauda. O corpo se torna uma "asa que se transforma" que produz forças de sustentação e arrasto quando o ar flui sobre ele, à medida que acelera para baixo sob a gravidade. Socha examinou essas propriedades aerodinâmicas em vários estudos. Com o achatamento, vem a ondulação, enquanto a cobra envia ondas por seu corpo.

No início do estudo, Socha tinha uma teoria para a ondulação aérea que ele explicou comparando dois tipos de aeronaves:jumbos e caças. Os jatos jumbo são projetados para estabilidade e começam a nivelar por conta própria quando perturbados, ele disse, enquanto os lutadores saem do controle.

Então, qual seria a cobra?

"É como um grande jato Jumbo, ou é naturalmente instável? ", disse Socha." Essa ondulação é potencialmente uma forma de lidar com a estabilidade? "

Ele acreditava que a cobra seria mais como um caça a jato.

Para executar testes investigando a importância da ondulação para a estabilidade, a equipe decidiu desenvolver um modelo matemático 3-D que pudesse produzir deslizamentos simulados. Mas primeiro, eles precisavam medir e analisar o que as cobras reais fazem ao planar.

Em 2015, os pesquisadores coletaram dados de captura de movimento de 131 planações ao vivo feitas por cobras-árvores do paraíso. Eles viraram o The Cube, um teatro de caixa preta de quatro andares no Moss Arts Center, em uma arena de deslizamento interna e usou suas 23 câmeras de alta velocidade para capturar o movimento das cobras enquanto elas pulavam de 27 pés de altura - de um galho de carvalho no topo de um elevador de tesoura - e deslizavam para uma árvore artificial abaixo, ou sobre o acolchoamento de espuma macia ao redor, a equipe colocou lençóis para amortecer suas aterrissagens.

As câmeras emitem luz infravermelha, então as cobras foram marcadas com fita reflexiva infravermelha em 11 a 17 pontos ao longo de seus corpos, permitindo que o sistema de captura de movimento detecte sua mudança de posição ao longo do tempo. Encontrar o número de pontos de medição foi fundamental para o estudo; em experimentos anteriores, Socha marcou a cobra em três pontos, então cinco, mas esses números não fornecem informações suficientes. Os dados de menos pontos de vídeo forneceram apenas uma compreensão grosseira, tornando a ondulação instável e de baixa fidelidade nos modelos resultantes.

A equipe encontrou um ponto ideal em 11 a 17 pontos, que forneceu dados de alta resolução. "Com este número, poderíamos obter uma representação uniforme da cobra, e um preciso, "disse Socha.

Os pesquisadores continuaram a construir o modelo 3-D digitalizando e reproduzindo o movimento da cobra ao dobrar em medições que haviam coletado anteriormente sobre distribuição de massa e aerodinâmica. Um especialista em modelagem dinâmica, Ross guiou o trabalho de Yeaton em um modelo contínuo, inspirando-se no trabalho em movimento de espaçonaves.

Ele trabalhou com Socha para modelar cobras voadoras desde 2013, e seus modelos anteriores tratavam o corpo da cobra em partes - primeiro em três partes, como um tronco, um meio, e um fim, e, em seguida, como um monte de links. "Este é o primeiro que é contínuo, "disse Ross." É como uma fita. É o mais realista até este ponto. "

Em experimentos virtuais, o modelo mostrou que a ondulação aérea não apenas evitou que a cobra tombasse durante os deslizamentos, mas aumentou as distâncias horizontais e verticais percorridas.

Ross vê uma analogia para a ondulação da cobra no giro de um frisbee:o movimento alternativo aumenta a estabilidade rotacional e resulta em um deslizamento melhor. Ao ondular, ele disse, a cobra é capaz de equilibrar as forças de sustentação e arrasto que seu corpo achatado produz, em vez de ser oprimido por eles e tombar, e pode ir mais longe.

Os experimentos também revelaram à equipe detalhes que eles não podiam visualizar anteriormente. Eles viram que a cobra empregava duas ondas quando ondulava:uma onda horizontal de grande amplitude e uma onda recém-descoberta, onda vertical de menor amplitude. As ondas iam de um lado para o outro e para cima e para baixo ao mesmo tempo, e os dados mostraram que a onda vertical foi duas vezes maior que a horizontal. "Isso é realmente, realmente esquisito, "disse Socha. Essas ondas duplas só foram descobertas em uma outra cobra, um sidewinder, mas suas ondas vão na mesma frequência.

"O que realmente torna este estudo poderoso é que fomos capazes de avançar dramaticamente tanto em nossa compreensão da cinemática de deslizamento quanto em nossa capacidade de modelar o sistema, "disse Yeaton." O vôo da cobra é complicado, e geralmente é difícil fazer as cobras cooperarem. E há muitos meandros para tornar o modelo computacional preciso. Mas é satisfatório colocar todas as peças juntas. "

"Em todos esses anos, Acho que vi perto de mil deslizes, "disse Socha." Ainda é incrível ver todas as vezes. Vendo pessoalmente, há algo um pouco diferente nisso. Ainda é chocante. O que exatamente esse animal está fazendo? Ser capaz de responder às perguntas que tenho feito desde que era um estudante de graduação, muitos, muitos anos depois, é incrivelmente satisfatório. "

Socha credita alguns dos elementos que moldaram os experimentos de planeio reais e simulados a forças fora de seu controle. O acaso o levou para a arena de deslizamento coberta:alguns anos após a inauguração do Moss Arts Center, Tanner Upthegrove, engenheiro de mídia do Institute for Creativity, Artes, e Tecnologia, ou ICAT, perguntou-lhe se já havia pensado em trabalhar no Cubo.

"Qual é o cubo?" ele perguntou. Quando Upthegrove lhe mostrou o espaço, ele estava chocado. Parecia projetado para os experimentos de Socha.

Em algumas formas, isso foi. "Muitos projetos do ICAT usaram a tecnologia avançada do Cubo, um estúdio diferente de qualquer outro no mundo, para revelar o que normalmente não poderia ser visto, "disse Ben Knapp, o diretor fundador do ICAT. "Cientistas, engenheiros, artistas, e designers unem forças aqui para construir, Criar, e inovar novas maneiras de abordar os maiores desafios do mundo. "

Em um dos projetos destacados do centro, "Corpo, Cheio de tempo, "a mídia e os artistas visuais usaram o espaço para capturar os movimentos do corpo dos dançarinos para uma performance envolvente. Trocando dançarinos por cobras, Socha conseguiu aproveitar ao máximo o sistema de captura de movimento do Cube. A equipe pode mover as câmeras, otimizando sua posição para o caminho da cobra. Eles aproveitaram a treliça no topo do espaço para posicionar duas câmeras apontando para baixo, fornecendo uma visão aérea da cobra, o que eles nunca foram capazes de fazer antes.

Socha e Ross veem potencial para seu modelo 3-D continuar explorando o vôo da cobra. A equipe está planejando experimentos ao ar livre para coletar dados de movimento de deslizamentos mais longos. E um dia, eles esperam cruzar os limites da realidade biológica.

Agora mesmo, sua cobra voadora virtual sempre desliza para baixo, como o animal real. Mas e se eles conseguissem fazer com que ele se movesse de modo que realmente começasse a subir? Para voar de verdade? Essa capacidade pode potencialmente ser construída nos algoritmos de cobras robóticas, que têm aplicativos interessantes em busca e resgate e monitoramento de desastres, Disse Ross.

"As cobras são tão boas em se mover em ambientes complexos, "disse Ross." Se você pudesse adicionar esta nova modalidade, funcionaria não apenas em um ambiente natural, mas em um ambiente urbano. "

"Em algumas formas, Virginia Tech é um centro de engenharia bioinspirada, "disse Socha." Estudos como este não apenas fornecem uma visão sobre como a natureza funciona, mas lançar as bases para um design inspirado na natureza. A evolução é o consertador criativo final, e estamos ansiosos para continuar descobrindo as soluções da natureza para problemas como este, extraindo vôo de um cilindro balançando. "