Ecco come planano ondulando i serpenti volanti (VIDEO)

Il movimento ondulatorio migliora la stabilità rotazionale di Chrysopelea paradisi. Possibili applicazioni nel design ispirato alla natura

[2 Luglio 2020]

Quando i serpenti volanti del paradiso (Chrysopelea paradisi) planano  da un ramo alto all’altro, il loro corpo si increspa in onde, come se scrivessero in corsivo nel cielo blu. Questo movimento di ondulazione aerea, avviene in ogni planata che compiono i serpenti velenosi della   famiglia Chrysopelea , i soli vertebrati senza arti noti che sono in grado di volare. A rivelarlo è lo studio “Undulation enables gliding in flying snakes” pubblicato su Nature Physics da un team di ricercatori del Virginia Tech che però deve ancora spiegare completamente come avviene il volo dei serpenti.

Per più di 20 anni, John “Jake” Socha, che insegna al Department of Biomedical Engineering and Mechanics del Virginia Tech, ha cercato di misurare e modellare la biomeccanica del volo dei serpenti e di rispondere a domande come quella del ruolo funzionale dell’ondulazione aerea. Per questo studio, Socha ha riunito un team interdisciplinare per sviluppare   il primo modello matematico 3D in volo  continuo e anatomicamente accurato del Chrysopelea paradisi.

Il team, che comprendeva Shane Ross, del Department of Aerospace and Ocean Engineering del Virginia Tech, e il principale autore, Isaac Yeaton, che ora è al Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory, ha sviluppato il modello 3D dopo aver misurato le planate di più di 100 serpenti. Al Virginia Tech spiegano che «Il modello influenza le frequenze delle onde ondulate, la loro direzione, le forze che agiscono sul corpo e la distribuzione di massa».

Insieme, i ricercatori hanno condotto anche esperimenti virtuali per studiare l’ondulazione aerea. IN una serie di questi esperimenti, per capire perché l’ondulazione fa parte di ogni planata, hanno simulato cosa accadrebbe se non avvenisse, “spegnendola”. E hanno scoperto che quando il serpente virtuale non riusciva piuù a ondulare nell’aria iniziava a cadere. Il test, abbinato alle planate simulate con le ondulazioni, ha confermato l’ipotesi del team: «L’ondulazione aerea migliora la stabilità rotazionale nei serpenti volanti».

«Sappiamo che i serpenti ondulano per molti tipi di ragioni e in tutti i tipi di contesti locomotori -sottolinea Socha – Questo è il loro programma di base. Per programma intendo il loro programma neurale e muscolare. Stanno ricevendo istruzioni specifiche: muovi questo muscolo ora, muovi quel muscolo, stira questo muscolo. E’ qualcosa di antico. Va oltre i serpenti. Quel modello di creazione dell’ondulazioni è vecchio. E’ del tutto possibile che un serpente salga in aria, poi dice: “Cosa devo fare? Sono un serpente Io ondulo”»

Ma Socha era convinto che ci fosse molto di più. Durante il volo del serpente  del paradiso avvengono così tante cose che è difficile distinguerle a occhio nudo. Socha ha descritto alcuni passaggi che si verificano ad step della  planata steps. passaggi che vengono letti come intenzionali. «Innanzitutto – spiegano ancora i ricercatoro –  il serpente salta, di solito curvando il suo corpo in un “J-loop” e saltando in alto e in fuori. Mentre si lancia, il serpente riconfigura la sua forma, i suoi muscoli si spostano per appiattire il suo corpo ovunque, tranne la coda. Il corpo diventa un ‘”ala mutevole” che produce forze di sollevamento e trascinamento quando l’aria scorre su di esso, mentre accelera verso il basso sotto lagravità». Socha ha esaminato queste proprietà aerodinamiche in diversi studi e ha scoperto che «Con l’appiattimento arriva l’ondulazione, mentre il serpente invia onde lungo il suo corpo».

All’inizio dello studio, Socha aveva una teoria per l’ondulazione aerea che ha spiegato confrontando due tipi di aerei: i jumbo jet  e i jet da combattimento. I jumbo jet sono progettati per la stabilità e iniziano a stabilizzarsi da soli quando entrano in una turbolenza, i jet da combattimento  sfuggono al controllo. Socha credeva che il volo del serpente del paradiso sarebbe stato più simile a quello di un jet da combattimento.

Per eseguire i test sull’importanza dell’ondulazione per la stabilità, il team ha iniziato a sviluppare un modello matematico 3D in grado di produrre planate simulate. Ma prima doveva misurare e analizzare cosa fanno i serpenti veri durante le loro planate. Per questo, nel 2015 hanno raccolto dati di motion capture di 131 planate fatte da serpenti del paradiso. Ci sono riusciti trasformando  un teatro di 4 piani, The Cube, in un set cinematografico, con 23 telecamere ad alta velocità, per riprendere le planate e i movimenti dei serpenti mentre saltavano da 9 metri piedi di altezza. Le telecamere emettevano luce a infrarossi e i serpenti erano contrassegnati con un nastro riflettente agli infrarossi su 11-17 punti lungo i loro corpi, consentendo al sistema di acquisizione del movimento di rilevare la loro posizione mutevole nel tempo. Al Virginia Tech sottolineano che «Trovare il numero di punti di misurazione è stato fondamentale per lo studio», Negli esperimenti precedenti, Socha aveve contrassegnato i serpenti volanti in soli 3 punti, poi in 5, ma non ne aveva ricavato informazioni sufficienti, solo una comprensione approssimativa.

Con i nastri piazzati su 11-17 punti deboli il team ha ottenuto dati ad alta risoluzione «Con questi numeri, abbiamo potuto ottenere una rappresentazione uniforme e accurata del serpente». I ricercatori hanno quindi  continuato a costruire il modello 3D digitalizzando e riproducendo il movimento del serpente,  mentre intanto analizzavano le misurazioni fatte precedentemente sulla distribuzione di massa e l’aerodinamica. Ross, esperto di modellistica dinamica, ha indirizzato il lavoro di Yeaton su un modello continuo, ispirandosi al movimento di veicoli spaziali.

Negli esperimenti virtuali, il modello ha dimostrato che l’ondulazione aerea non solo impedisce al serpente di ribaltarsi durante le planate, ma aumenta le distanze, in orizzontale e in verticale, che può percorrere. Ross vede un’analogia dell’ondulazione del serpente con la rotazione di un frisbee: «il movimento alternativo aumenta la stabilità rotazionale e si traduce in una migliore planata. Ondulando, il serpente è in grado di bilanciare l’ascensione e  e le forze di trascinamento che il suo corpo appiattito produce, piuttosto che essere sopraffatto da loro e cadere, ed è in grado di andare oltre».

Gli esperimenti hanno anche rivelato al team dettagli che in precedenza non erano stati in grado di visualizzare. Hanno visto che il serpente quando ondulava utilizzava due tipi di onde: «Un’onda orizzontale di grande ampiezza e un’onda verticale di recente scoperta, di ampiezza più piccola. Le onde andavano da una parte all’altra e su e giù contemporaneamente, e i dati mostravano che l’onda verticale andava al doppio della frequenza di quella orizzontale». Socha aggiunge che «Questo è davvero molto strano. Queste doppie onde sono state scoperte solo in un altro serpente, un sidewinder (Crotalus cerastes, ndr), ma le sue onde vanno alla stessa frequenza».

Secondo Yeaton. «Ciò che rende davvero potente questo studio è che siamo stati in grado di far progredire in modo eccezionale sia la nostra comprensione della cinematica di scorrimento che la nostra capacità di modellare il sistema. Il volo del serpente è complicato ed è spesso difficile far cooperare i serpenti. E ci sono molte complessità per rendere accurato il modello computazionale. Ma è soddisfacente mettere insieme tutti i pezzi».

Socha concorda: «In tutti questi anni, penso di aver visto quasi mille planate. E’ ancora fantastico vederle ogni volta. Vedendolo di persona, c’è qualcosa di leggermente diverso. E’ ancora scioccante. Cosa sta facendo esattamente questo animale? Essere in grado di rispondere alle domande che mi sono fatto da quando ero uno studente laureato, molti, molti anni dopo, è incredibilmente soddisfacente».

Socha attribuisce alcuni degli elementi che hanno modellato gli esperimenti di planata reali e simulati per forzare il suo controllo. Il caso lo ha portato all’arena indoor: pochi anni dopo l’apertura del Moss Arts Center, Tanner Upthegrove, un ingegnere dei media per l’Institute for Creativity, Arts and Technology – ICAT, gli ha chiesto se avesse mai pensato di lavorare nel The Cube.

Socha e Ross  sono convinti che il loro modello 3D sviluppato al The Cube abbia la potenzialità per poter continuare a studiare il volo del serpente. Il team sta pianificando esperimenti all’aperto per raccogliere dati del movimento con  planate più lunghe. E un giorno, sperano di attraversare i confini della realtà biologica. Attualmente il loro serpente volante virtuale scivola sempre verso il basso, come il vero animale. E Ross si chiede: «E se potessimo  farlo muovere in modo che possa effettivamente iniziare a salire? Per volare davvero? Quella capacità potrebbe essere potenzialmente integrata negli algoritmi dei serpenti robotici, che hanno applicazioni entusiasmanti nella ricerca e nel salvataggio e nel monitoraggio dei disastri. I serpenti sono così bravi a muoversi in ambienti complessi. Se potessimo aggiungere questa nuova modalità, funzionerebbe non solo in un ambiente naturale, ma in un ambiente urbano».

Socha conclude: «In un certo senso, il Virginia Tech è un hub per l’ingegneria bio-ispirata. Studi come questo non solo forniscono informazioni su come funziona la natura, ma gettano le basi per un design ispirato alla natura. L’evoluzione è l’ultimo creative tinkerer e siamo entusiasti di continuare a scoprire le soluzioni della natura a problemi come questo, estraendo il volo da un cilindro oscillante».

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  • How flying snakes glide: Swimming through the air