Il lavoro potrebbe aiutare i ricercatori a migliorare gli algoritmi di controllo robotico e le protesi per gli esseri umani, e fornirà anche informazioni su come i pipistrelli si sono evoluti per manovrare così bene nell’aria. Oltre a ciò, i risultati offrono un nuovo apprezzamento su come siano specializzate le zampe e le ali del pipistrello e su come funzionino di concerto per consentire questa strategia di atterraggio unica.
La ricerca è pubblicata sul Journal of the Royal Society Interface.
"L'atterraggio è un problema davvero difficile in generale, soprattutto quando un animale ha ali invece di gambe, ma i pipistrelli hanno sviluppato un modo davvero elegante di gestirlo", ha detto Kenneth Breuer, assistente professore di ingegneria e co-autore corrispondente dell'articolo.
L'atterraggio è particolarmente complicato per i pipistrelli perché il loro volo è altamente manovrabile. Possono eseguire virate strette e accelerazioni rapide, ma per eseguire tali mosse devono immagazzinare molta energia durante il volo, tipicamente sotto forma di energia cinetica. Quando atterrano, devono in qualche modo dissipare rapidamente quell'energia, il tutto toccando terra abbastanza dolcemente da evitare lesioni.
"Se un pipistrello atterra con molta energia e non ha modo di perderla, potrebbe rompersi", ha detto Breuer.
Per osservare i pipistrelli mentre atterravano in condizioni di laboratorio, il team ha costruito un'arena di volo personalizzata. L'arena è un recinto lungo circa 2,5 metri, con pareti, pavimento e soffitto rivestiti con telecamere per la cattura del movimento. Quando un pipistrello entra nell'arena, le telecamere ne catturano i movimenti, fornendo dati che il team utilizza per calcolare l'orientamento del corpo dell'animale, gli angoli delle ali e delle articolazioni e le velocità lineari e angolari in diversi momenti.
Il team ha lavorato con due grandi pipistrelli marroni, Eptesicus fuscus. I pipistrelli marroni sono abbastanza comuni nel Nord America e in Europa, cacciano insetti e si appollaiano in grotte, edifici e alberi. I ricercatori hanno addestrato i pipistrelli a entrare nell’arena di volo e ad atterrare su una piattaforma di atterraggio dotata di un sensore di forza che misurava la forza d’impatto degli atterraggi.
I risultati mostrano che i pipistrelli entrano in contatto con il suolo con le caviglie e che dissipano la loro energia di volo assorbendo la forza di atterraggio nelle articolazioni delle gambe e rallentando i lembi delle ali. Le ali in realtà non entrano mai in contatto con il suolo.
"Le loro ali sono così delicate e sottili che il contatto probabilmente le danneggerebbe", ha detto Breuer.
Invece, i pipistrelli usano le ali per rallentare la caduta prima di atterrare e controllare l’orientamento del loro corpo. Una volta che le caviglie toccano terra, i pipistrelli assorbono l'energia rimanente piegando le gambe.
I risultati aiutano a spiegare perché le zampe e le ali dei pipistrelli sono così diverse da quelle degli altri mammiferi. Le loro gambe, con tibie lunghe e piedi corti, sono adatte per assorbire gli urti e mancano di caratteristiche come artigli che potrebbero ostacolare l'esecuzione della manovra di atterraggio. Le loro ali, invece, sono incredibilmente sottili, con massa muscolare e densità ossea ridotte, il che ne riduce il peso ma li rende anche più suscettibili ai danni. Per compensare questa fragilità, i pipistrelli si sono evoluti per evitare il contatto con il suolo con le ali assorbendo abilmente le forze d'impatto con le zampe.
I ricercatori ritengono che il resoconto dettagliato degli atterraggi dei pipistrelli costituisca una buona base per il lavoro futuro volto a migliorare gli algoritmi di controllo robotico per veicoli e protesi di atterraggio. Comprendere i meccanismi dell’atterraggio dei pipistrelli potrebbe anche aiutare i ricercatori a capire come i pipistrelli eseguono altri comportamenti, come appendere a testa in giù ai muri o agli alberi.
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