Портовые тюлени обладают удивительно тонким чутьем для обнаружения добычи, как уже много лет отмечают морские биологи. Даже с завязанными глазами обученные тюлени могут точно следовать по пути объекта, который проплыл на 30 секунд раньше. Ученые подозревают, что подобная лазеру способность тюленя отслеживать отчасти связана с его антенноподобными усами.
Теперь инженеры Массачусетского технологического института изготовили и протестировали крупномасштабную модель усов обыкновенного тюленя и определили механизм, который может объяснить, как тюлени чувствуют окружающую среду и выслеживают свою добычу.
Команда обнаружила, что усы тюленя выполняют две основные функции в восприятии окружающей среды: сначала они остаются неподвижными в ответ на собственные движения тюленя в воде, а затем колеблются в «слаломном» движении в ответ на левую турбулентность. движущимся объектом.
В своих экспериментах исследователи заметили, что как только искусственный ус входит в след, оставленный проходящим объектом, он начинает вибрировать с той же частотой, что и проходящие вихри следа. Тщательная визуализация показывает, что усик «скользит» среди вихрей, как лыжник, петляющий между флажками.
Исследование показывает, что этот слалом позволяет усам извлекать энергию из следа, заставляя его вибрировать с точной частотой следа - механизм, который может дать тюленям ключ к пониманию пути объекта, его размера и даже его форма.
Майкл Триантафиллоу, профессор Уильяма И. Коха на факультете машиностроения Массачусетского технологического института, говорит, что биологические датчики, созданные по образцу усов морского тюленя, могут помочь подводным аппаратам отслеживать косяки рыб, а также источники загрязнения. - цель, над которой он сейчас работает.
Он и бывшая аспирантка Хизер Бим, чья докторская диссертация легла в основу работы, опубликовали свои результаты в Journal of Fluid Mechanics.
Успокаивающий эффект
Усы морского тюленя уникальны по форме: даже невооруженным глазом отдельные усы кажутся не однородными, а волнистыми. Под увеличительным стеклом узор становится более замысловатым, с эллиптическим поперечным сечением, размер которого меняется по размаху.
«Удивительно видеть этот замысловатый рисунок, это не просто прямая антенна - это идеальная синусоида», - говорит Триантафиллоу.
Он и Бим предположили, что любопытная геометрическая морфология усов может играть роль в исключительной чувствительности тюленей.
Используя методы 3D-печати, Бим воспроизвел волнистую морфологию тюленя в гораздо большем масштабе, чтобы точно измерить его реакцию на различные волны. Она проверила вибрационные свойства усов в 30-метровом резервуаре с водой с движущейся гусеницей, подвешенной над водой.
В своих экспериментах Бим сначала прикрепила искусственный ус к движущейся дорожке, позволив усику свободно вибрировать в воде, когда он двигался по всей длине резервуара.
В то время как большинство длинных тонких стержней имеют тенденцию создавать большие вихри или водовороты, когда они движутся в воде, образуя узор, хорошо известный в механике жидкости, Бим обнаружил, что волнообразный узор геометрии усов создает гораздо слабее вихри, позволяющие усам двигаться бесшумно, с очень небольшой вибрацией, в воде.
Морфология усов, как обнаружили исследователи, может помочь тюленю блокировать собственное беспокойство при движении в воде.
"Это все равно, что иметь возможность высунуть голову из окна автомобиля и не слышать шума, чтобы в ушах не звенело: это успокаивающий эффект", - говорит Триантафиллоу.
Датчик усов
Чтобы проверить, как усы реагируют на внешние раздражители, Бим провела вторую серию экспериментов, в которых она прикрепила большой длинный круглый цилиндр перед усом. Когда цилиндр двигался по аквариуму, он создавал большие водовороты, похожие на узоры, создаваемые проплывающей мимо рыбой.
В ответ она обнаружила, что ус, следуя за цилиндром, сильно вибрировал, двигаясь по слаломной схеме среди вихрей следа. Когда она меняла скорость движущейся дорожки, ус быстро адаптировался, вибрируя точно с частотой изменяющихся вихрей цилиндра.
«Геометрия усиков допускает такое явление, как способность очень бесшумно двигаться по воде, если вода спокойна, и извлекать энергию из следа рыбы, чтобы сильно вибрировать», - говорит Бим. «Теперь у нас есть представление о том, как тюлени могут находить рыбу, которую они не видят».
Триантафиллоу говорит, что искусственные усы могут быть полезны в качестве маломощных датчиков для подводных аппаратов.
«У нас уже есть несколько датчиков, которые могут определять скорость, но теперь, когда мы лучше знаем, что они могут делать, мы можем использовать их для отслеживания источников загрязнения и тому подобного», - говорит Триантафиллоу. «Имея несколько усов на транспортном средстве, как у тюленя, вы можете, например, обнаружить далекий шлейф и проследить его до конца».