Келли Сазерленд из Университета Орегона увидела будущее подводных исследований, изучая мастерство плавания крошечных медуз, пойманных в Пьюджет-Саунд у острова Сан-Хуан в Вашингтоне.
В статье с четырьмя коллегами в выпуске журнала Nature Communications от 2 сентября Сазерленд подробно описывает, как крошечный тип медуз - колониальные сифонофоры - быстро плавают, координируя несколько струй, стреляющих водой из отдельных, но генетически идентичных единиц. из которых состоит животное.
Информация о биомеханике живого организма, который использует такую скоординированную систему, должна вдохновить на «естественное решение организации нескольких двигателей, которое может способствовать расширению области проектирования подводных распределенных движителей», со- заключают авторы в своей статье.
«Это очень интересная система для изучения движения, потому что у этих медуз есть несколько плавательных колоколов, которые можно использовать для движения», - сказал Сазерленд, биолог из Орегонского института морской биологии UO в Чарльстоне и Института Роберта Д. Clark Honors College в кампусе Юджина. «Это относительно редко встречается в животном мире. Большинство организмов, которые плавают с помощью движения, делают это с помощью одной струи. Эти сифонофоры могут вращаться в мгновение ока, и очень быстро».
Изучаемые желе - это Nanomia bijuga. Они принадлежат к типу Cnidaria, члены которого имеют специализированные стрекательные клетки, используемые в основном для поимки добычи.
Н. bijuga редко превышает два дюйма в длину, но с щупальцами может достигать длины фута. Образцы были собраны - чаще всего ночью, когда их полупрозрачные тела хорошо видны при свете над темной водой - с помощью чашек с плавучих доков в лабораториях Фрайдей-Харбор Вашингтонского университета. Отдельные колонии содержали от четырех до двенадцати струйных структур, известных как нектофоры.
Одно животное, по словам Сазерленда, немного похоже на группу крошечных медуз, связанных вместе. Медузы, наиболее узнаваемые любителями океана, обычно намного крупнее и приводятся в движение одной струей. Однако изученные крошечные версии включают в себя несколько единиц и имеют четкое разделение труда.
«Младшие плавательные колокольчики на кончике колонии ответственны за поворот», - сказал Сазерленд. «Они создают большой крутящий момент. Старые плавательные колокольчики у основания колонии ответственны за тягу». Их щупальца захватывают зоопланктон, крошечные организмы, которые потребляют эти медузы, добавила она.
Чтобы понять, как эти желейные мармеладки манипулируют водой, исследователи поместили образцы колоний в небольшие специально изготовленные резервуары и добавили нейтрально плавучие посевные частицы в качестве индикаторов. Когда резервуары были освещены тонким двухмерным лазерным листом, движение желе было запечатлено с помощью высокоскоростной цифровой фотографии со скоростью 1000 кадров в секунду. Данные были проанализированы с помощью велосиметрии изображения частиц, метода, который обеспечивает мгновенные измерения скорости.
Большинство животных и транспортных средств, созданных людьми, полагаются на реактивные двигатели, которые поворачиваются для изменения направления, практика, которая, по словам Сазерленда, сложна с проектной или инженерной точки зрения.
«У этих желе есть небольшая способность поворачивать отдельные струи, но им это не нужно», - сказала она. «С несколькими статическими форсунками они могут достичь всей необходимой маневренности. Проектирование такой системы было бы простым, но элегантным. И у вас есть избыточность в системе. Если один реактивный двигатель выйдет из строя, потеря тяги будет незначительной."
Исследование дает представление о том, как животные могут достигать сложных уровней маневренности и производительности с помощью относительно простых компонентов, сказал Джон «Джек» Х. Костелло из колледжа Провиденс в Род-Айленде, ведущий автор исследования.
«Нектофоры этих желеобразных кажутся довольно простыми структурами, производящими струи», - сказал он. «При движении вперед струи в основном имеют стереотипное направление - кажется, что они движутся в постоянном направлении. Сложность поворота достигается за счет чередования того, какие единицы сокращаются и насколько сильно они струятся. Вместо того, чтобы маневрировать, внося очень сложные физические изменения в струи. направления между несколькими особями, колония эволюционировала, чтобы управлять относительно простыми, стабильными компонентами, используя более сложную систему управления».
Следующий шаг, по словам Костелло, заключается в том, чтобы понять, как животные максимизируют свой контроль над очень простыми движениями для достижения таких сложных результатов.«Мы считаем, что идентификация этих контролирующих моделей позволит нам понять высокие уровни производительности животных-пловцов и что, возможно, часть этой информации будет применима к искусственным транспортным средствам..
В своей лаборатории UO Сазерленд изучает желеобразные организмы, в основном медузы, чтобы попытаться понять, как организмы взаимодействуют с окружающей их жидкостью. Фундаментальные вопросы, лежащие в основе ее исследований, заключаются в том, как они манипулируют водой вокруг себя, чтобы плавать, и как они это делают, чтобы питаться.
«Мое первое взаимодействие с животными, использованными в этом исследовании, было фактически плаванием с ними в их естественной среде», - сказала она. «Это вертикальные мигрирующие существа, поднимающиеся на поверхность ночью и уплывающие обратно на глубину днем. Каждую ночь они могут проплыть сотни метров».