Передвижение паукообразных
Передвижение паукообразных — это различные способы, с помощью которых паукообразные ходят, бегают или прыгают; они используют не только сокращение мышц , но и дополнительные методы, такие как гидравлическое сжатие . [1] [2] Другая адаптация, особенно наблюдаемая у более крупных вариантов паукообразных, — это включение эластичных соединительных тканей .
Гидравлика
[ редактировать ]
У большинства паукообразных гидравлическое сжатие действует как основное средство разгибания в некоторых шарнирных суставах ног, а именно в суставах бедренной кости и надколенника, большеберцовой кости и плюсневых суставах или суставах второй и третьей ног соответственно. [3] Вместо крови гемолимфа используется для перемещения питательных веществ внутри паукообразных и выполняет второстепенную функцию, действуя как гидравлическая жидкость. При сжатии телом паукообразного гемолимфа применяет сжимающую силу через каналы в конечностях, которые заставляют их растягиваться. [4] Затем это движение уравновешивается мышцами-сгибателями, которые при необходимости втягивают суставы ног. Благодаря тому, что для разгибания используется гидравлика, мышца-сгибатель может быть значительно больше, чем это было бы возможно в противном случае, без влияния на размер или вес. [5] Измеримое изменение объема тела может произойти в периоды более сильного сжатия ног, когда пазухи тела сжимаются для достижения давления в определенных ногах. [6] Помимо обычной походки паукообразных, в некоторых вариантах чрезвычайно высокое давление используется в качестве средства прыжка, приводя в движение задние ноги и позволяя совершать гораздо более масштабные и резкие движения. [6]
Эластики
[ редактировать ]У более крупных разновидностей паукообразных, таких как тарантулы и волосатые пустынные пауки, другим механизмом передвижения является эластичный склерит . [6] Эти склериты представляют собой полужесткие соединители между сегментами ног, которые позволяют хранить и расходовать потенциальную энергию. Он используется в качестве дополнения или в сочетании с гидравликой, обычно используемой в этих суставах, что позволяет переносить больший вес, выполнять более быстрые и резкие движения в сочетании с уже выраженными мышцами-сгибателями, действующими в этих суставах, а также для тонкого контроля движений. со снижением внезапного нарушения тока гемолимфы. [6] Было обнаружено, что при более сильном сжатии сустава жесткость склерита значительно увеличивается, что означает поддержку даже за пределами нормального напряжения. [6]
Влияние на биомиметический дизайн
[ редактировать ]Гидравлическое передвижение паукообразных послужило источником вдохновения для многих современных биомиметических концепций в робототехнике, предназначенных для использования людьми или вместе с ними, особенно в области мягкой робототехники . Использование гидравлики в роботизированных соединениях направлено на замену более тяжелого управления современной робототехники более пассивной системой, разработанной с мягким срабатыванием. [7] вращения, подъема и даже демпфирования . С помощью этих вдохновляющих конструкций можно достичь различных форм приведения в действие и передачи силы, включая эффекты [8] Пассивная природа используемых гидравлических и эластичных механизмов разгибания нашла применение в проектах ортопедии , направленных на помощь суставам, ослабленным возрастом или болезнью. [8]
Секреция жидкости
[ редактировать ]Дополнительным методом, используемым некоторыми паукообразными для улучшения передвижения, является выделение жидкости, характеризующейся гидрофобным эффектом , через подушечки на концах их ног, соприкасающихся с поверхностью ходьбы. [9] Было показано, что паукообразные способны избирательно использовать клейкую жидкость, то есть они могут отказаться от выделения жидкости при определенных обстоятельствах, когда это было бы неоправданно, например, во влажных условиях. [9] Использование жидкостей позволяет паукообразным лучше тянуться за счет улучшенной силы сдвига как при стандартном передвижении, так и при резких движениях, таких как прыжки и прыжки.
Проблемы моделирования
[ редактировать ]Моделирование гидравлической системы, используемой паукообразными, в прошлом было сложной задачей из-за масштаба и сложности. Упрощенные модели, ориентированные на отдельные суставы и каналы потока, с использованием современных изображений, таких как микро-КТ, позволили получить математические выражения давления и потока, действующих на суставы. [3] Непосредственная визуализация потока гемолимфы в небольших телах была затруднена из-за ограничений разрешения и отсутствия контраста, из-за чего жидкость и мягкие ткани были неразличимы, но были использованы методы с использованием комбинации инъецированных микропузырьков в качестве индикаторов в гемолимфе и синхротронного рентгеновского контраста. изображения, чтобы отслеживать их. [10]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Бауэрман, Роберт Ф. (1981). «Передвижение паукообразных» . В Херрейде, Клайд Ф.; Фуртнер, Чарльз Р. (ред.). Передвижение и энергетика членистоногих . Спрингер США. стр. 73–102. дои : 10.1007/978-1-4684-4064-5_4 . ISBN 978-1-4684-4066-9 . Проверено 22 апреля 2021 г.
- ^ Спагна, Джозеф К.; Питти, Энн М. (01 мая 2012 г.). «Наземное передвижение паукообразных» . Журнал физиологии насекомых . 58 (5): 599–606. дои : 10.1016/j.jinsphys.2012.01.019 . ПМИД 22326455 . Проверено 22 апреля 2021 г.
- ^ Jump up to: а б Лю, Чунбао; Чен, Шаньши; Шэн, Чуан; Дин, Пэн; Цянь, Чжихуэй; Рен, Лей (апрель 2019 г.). «Искусство гидравлического соединения в ноге паука: моделирование, вычислительная гидродинамика (CFD) и биодизайн» . Журнал сравнительной физиологии А. 205 (4): 491–504. дои : 10.1007/s00359-019-01336-2 . ПМИД 31032530 . S2CID 135474232 . Проверено 1 марта 2021 г.
- ^ Вейманн, Том; Гюнтер, Майкл; Бликхан, Рейнхард (октябрь 2011 г.). «Гидравлическое выдвижение ног не обязательно является основным приводом больших пауков» (PDF) . Журнал экспериментальной биологии . 215 (4): 578–583. дои : 10.1242/jeb.054585 . ПМИД 22279064 . Проверено 1 марта 2021 г.
- ^ Хао, Синь; Ма, Вэньсин; Лю, Чунбао; Ли, Илей; Цянь, Чжихуэй; Рен, Луцюань; Рен, Лей (декабрь 2019 г.). «Анализ кинематики суставов и режимов движения пауков в различных грунтовых условиях» . Прикладная бионика и биомеханика . 2019 : 1–9. дои : 10.1155/2019/4617212 . ПМЦ 6935789 . ПМИД 31929827 .
- ^ Jump up to: а б с д и Сенсениг, Эндрю Т.; Шульц, Джеффри В. (ноябрь 2002 г.). «Механика накопления кутикулярной упругой энергии в суставах ног, лишенных мышц-разгибателей, у паукообразных» (PDF) . Журнал экспериментальной биологии . 206 (4): 771–784. дои : 10.1242/jeb.00182 . ПМИД 12517993 . Проверено 1 марта 2021 г.
- ^ Ландкамер, Стефан; Зима, Флориан; Шнайдер, Дэниел; Хорнфек, Рюдигер (июль 2016 г.). «Биомиметические суставы ног паука: обзор биомеханических исследований совместимых роботизированных приводов» . Робототехника . Специальный (3): 15. doi : 10.3390/robotics5030015 .
- ^ Jump up to: а б Гайзер, И.; Виганд, Роланд; Ивлев О.; Андрес, А.; Брейтвизер, Х.; Шульц, С.; Бреттауэр, Г. (2012). «Соответствующая робототехника и автоматизация с гибкими гидроприводами и надувными конструкциями». Интеллектуальные системы срабатывания и измерения: последние достижения и будущие вызовы . дои : 10.5772/51866 . ISBN 978-953-51-0798-9 . S2CID 53868418 .
- ^ Jump up to: а б Питти, Энн М.; Диркс, Ян-Хеннинг; Энрикес, Серхио; Федерле, Уолтер (май 2011 г.). «Паукообразные выделяют жидкость на своих клейких подушечках» . ПЛОС ОДИН . 6 (5): e20485. Бибкод : 2011PLoSO...620485P . дои : 10.1371/journal.pone.0020485 . ПМК 3102731 . ПМИД 21637774 .
- ^ Ли, Ва-Кит; Соча, Джон Дж. (март 2009 г.). «Прямая визуализация потока гемолимфы в сердце кузнечика (Schistocerca americana)» . Физиология БМК . 2009 : 2. дои : 10.1186/1472-6793-9-2 . ПМК 2672055 . ПМИД 19272159 .