I serpenti del deserto che strisciano sulla sabbia di notte possono incontrare ostacoli come piante o ramoscelli che alterano la direzione del loro viaggio. Mentre studiavo quel movimento per imparare come gli animali senza arti controllano i loro corpi in tali ambienti, i ricercatori hanno scoperto che i serpenti che si scontrano con questi ostacoli imitano gli aspetti della luce o delle particelle subatomiche quando incontrano un reticolo di diffrazione.

L'effetto di questa "diffrazione meccanica" ha permesso ai ricercatori di osservare come le traiettorie dei serpenti fossero alterate attraverso meccanismi passivi governati dalla dinamica scheletrica e muscolare delle onde corporee che si propagano dagli animali. I ricercatori hanno studiato i serpenti vivi mentre strisciavano attraverso un ostacolo composto da sei pioli rigidi sensibili alla forza che allacciavano i corpi degli animali, cambiando i loro percorsi in modi prevedibili.

I risultati, descritto il 25 febbraio sulla rivista Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , indicano che i serpenti dal naso a pala occidentale (Chionactis occipitalis) non cambiano deliberatamente direzione quando incontrano ostacoli mentre sfrecciano sulla sabbia. Comprendere il movimento di questi animali senza arti potrebbe aiutare gli ingegneri a migliorare il controllo dei robot di ricerca e soccorso autonomi progettati per operare sulla sabbia, erba e altri ambienti complessi.

"L'idea alla base della dinamica passiva è che ci siano cambiamenti di forma d'onda fatti dall'animale che sono guidati interamente dalle proprietà passive dei loro corpi, " ha detto Perrin Schiebel, un recente dottorato di ricerca laureato alla Scuola di Fisica presso il Georgia Institute of Technology. "Invece di inviare un segnale per attivare un muscolo, l'interazione dei corpi dei serpenti con l'ambiente esterno è ciò che provoca il cambiamento di forma. Le forze degli ostacoli stanno spingendo i corpi dei serpenti in una nuova forma".

Il colorato serpente dal naso a pala normalmente usa un'onda sinusoidale a forma di S per muoversi attraverso i deserti del sud-ovest degli Stati Uniti. Incorrere in pioli rigidi in un ambiente di laboratorio non lo porta a cambiare attivamente quella forma d'onda, che Schiebel e colleghi hanno studiato utilizzando videocamere ad alta velocità con otto diversi animali.

In uno studio sostenuto dalla National Science Foundation, Ufficio di ricerca dell'esercito, Agenzia per i progetti avanzati di difesa, e una borsa di studio per laureati in scienze e ingegneria della difesa nazionale, i ricercatori hanno utilizzato 253 viaggi di serpenti per costruire un modello di diffrazione. Sorprendentemente, il modello ha anche rivelato che le direzioni di dispersione sono state "quantizzate" in modo tale che la probabilità di trovare un serpente dietro l'array potesse essere rappresentata in un modello che mima l'interferenza delle onde. Un modello computazionale è stato in grado di catturare il modello, dimostrando come la direzione dei serpenti verrebbe alterata dall'incontro con ostacoli tramite l'instabilità passiva del corpo.

"Un problema con i robot che si muovono nel mondo reale è che non abbiamo ancora principi in base ai quali possiamo capire come controllare al meglio questi robot su superfici granulari come la sabbia, fogliame, macerie o erba, " ha detto Daniel Goldman, un professore della famiglia Dunn presso la School of Physics della Georgia Tech. "Lo scopo di questo studio era cercare di capire come i locomotori senza arti, che hanno corpi lunghi che possono piegarsi in modi interessanti usando schemi di controllo neuromeccanici potenzialmente complicati, riescono a muoversi attraverso terreni complicati."

L'esperimento del serpente è stato suggerito da uno studio robotico condotto dalla borsista post-dottorato Jennifer Rieser, che hanno riscontrato un comportamento simile tra i robot che incontrano ostacoli.

"Il robot tende ad avere aspetti che imitano le caratteristiche del mondo subatomico:il mondo quantistico, " ha spiegato Goldman. "Quando si scontra con le barriere, un robot si propaga attraverso quelle barriere usando onde di flessione del corpo. La sua traiettoria devia quando esce dalle barriere, e molte prove ripetute rivelano un modello di dispersione "grumoso", analogo agli esperimenti. Ci siamo resi conto che potevamo sfruttare questo fenomeno sorprendente e bellissimo, fisica classica ma con l'autopropulsione una caratteristica fondamentale, come un esperimento di dispersione per interrogare lo schema di controllo utilizzato dai serpenti."

Sperimentalmente, i ricercatori hanno usato una "arena dei serpenti" ricoperta di tappeto a pelo lungo per imitare la sabbia. Gli studenti universitari Alex Hubbard e Lillian Chen hanno rilasciato i serpenti uno alla volta nell'arena e li hanno incoraggiati a strisciare attraverso la grata.

Gli occhi dei serpenti del deserto sono naturalmente ricoperti di scaglie per proteggerli. I ricercatori hanno usato la pittura per il viso dei bambini per "bendare" temporaneamente gli animali in modo che non fossero distratti dai ricercatori. La vernice non ha danneggiato gli animali.

"Quando mettiamo i serpenti nell'arena, hanno iniziato a muoversi usando la stessa forma d'onda che usano sulla sabbia del deserto, " spiegò Schiebel. "Poi avrebbero incontrato la grata di tasselli, attraversarlo, e continuare dall'altra parte ancora usando quella forma d'onda."

Invece di continuare a percorrere l'arena in linea retta, i serpenti uscirebbero con un'angolazione diversa, anche se non hanno afferrato i pali o li hanno usati per aiutare il loro movimento. Schiebel ha lavorato con Zeb Rocklin, un assistente professore di fisica della Georgia Tech, modellare i cambi di direzione. Il modello ha mostrato come semplici interazioni tra il modello d'onda dei serpenti e il reticolo producano modelli di direzioni di dispersione preferite.

"Pensiamo che il serpente stia essenzialmente operando in un modello che gli ingegneri di controllo considererebbero 'anello aperto, '", ha detto Goldman. "Sta impostando un particolare programma motorio sul suo corpo, che genera il caratteristico andamento ondulatorio, e quando si scontra con l'ostacolo, la sua meccanica del corpo gli permette di deformare e muovere i pali senza degradare la sua velocità."

Goldman crede che il lavoro potrebbe aiutare gli sviluppatori di robot simili a serpenti a migliorare i loro schemi di controllo.

"Pensiamo che le nostre scoperte sul ruolo delle dinamiche passive nel serpente possano facilitare nuovi progetti di robot serpente che consentiranno loro di muoversi attraverso ambienti complessi in modo più fluido, " ha detto. "L'obiettivo sarebbe quello di costruire robot di ricerca e soccorso in grado di entrare in questi ambienti complessi e aiutare i primi soccorritori".

E come bonus, Goldman ha detto, "Troviamo che la ricchezza delle interazioni tra i sistemi semoventi come i serpenti e i robot con il loro ambiente è affascinante dal punto di vista della fisica della 'materia attiva'".