Quando il serpente dell'albero del paradiso vola da un alto ramo all'altro, il suo corpo ondeggia come un corsivo verde su un foglio bianco di cielo blu. Quel movimento, ondulazione aerea, accade in ogni planata fatta dai membri della famiglia Chrysopelea, gli unici vertebrati senza arti conosciuti in grado di volare. Gli scienziati lo sapevano, ma devo ancora spiegarlo completamente.

Da più di 20 anni, Jake Socha, professore presso il Dipartimento di Ingegneria Biomedica e Meccanica del Virginia Tech, ha cercato di misurare e modellare la biomeccanica del volo dei serpenti e rispondere a domande su di essi, come quello del ruolo funzionale dell'ondulazione aerea. Per uno studio pubblicato da Fisica della natura , Socha ha riunito un team interdisciplinare per sviluppare il primo continuo, modello matematico 3D anatomicamente accurato di Chrysopelea paradisi in volo.

Il gruppo, che includeva Shane Ross, un professore del Dipartimento di Ingegneria aerospaziale e oceanica di Kevin T. Crofton, e Isaac Yeaton, un neolaureato in ingegneria meccanica e autore principale del documento, ha sviluppato il modello 3D dopo aver misurato più di 100 planate di serpenti vivi. I fattori del modello nelle frequenze delle onde ondulate, la loro direzione, forze agenti sul corpo, e distribuzione di massa. Con esso, i ricercatori hanno eseguito esperimenti virtuali per studiare l'ondulazione aerea.

In una serie di questi esperimenti, per imparare perché l'ondulazione fa parte di ogni planata, hanno simulato cosa sarebbe successo se non lo fosse stato, spegnendolo. Quando il loro serpente volante virtuale non poteva più ondulare aereamente, il suo corpo cominciò a crollare. La prova, abbinato a scivolate simulate che mantenevano le onde di ondulazione in corso, ha confermato l'ipotesi del team:l'ondulazione aerea migliora la stabilità rotazionale nei serpenti volanti.

Questioni di volo e movimento riempiono il laboratorio di Socha. Il gruppo ha adattato il loro lavoro sui serpenti volanti agli studi su come le rane saltano dall'acqua e vi sfrecciano sopra, come scorre il sangue attraverso gli insetti, e come le anatre atterrano sugli stagni. In parte, era importante per Socha sondare il ruolo funzionale dell'ondulazione nelle planate dei serpenti perché sarebbe facile presumere che non ne avesse davvero uno.

"Sappiamo che i serpenti ondeggiano per tutti i tipi di motivi e in tutti i tipi di contesti locomotori, " ha detto Socha. "Questo è il loro programma di base. Per programma, Intendo il loro neurale, programma muscolare? - stanno ricevendo istruzioni specifiche:attiva questo muscolo ora, accendi quel muscolo, fuoco questo muscolo. È antico. Va oltre i serpenti. Quel modello di creazione di ondulazioni è vecchio. È del tutto possibile che un serpente entri in aria, poi va, 'Cosa faccio? Sono un serpente. Io ondeggio.'"

Ma Socha credeva che ci fosse molto di più. Per tutto il volo del serpente dell'albero del paradiso, tante cose accadono contemporaneamente, è difficile districarli ad occhio nudo. Socha ha descritto alcuni passaggi che si verificano con ogni planata, passaggi che vengono letti come intenzionali.

Primo, il serpente salta, di solito curvando il suo corpo in un "J-loop" e saltando fuori. Mentre si avvia, il serpente riconfigura la sua forma, i suoi muscoli si spostano per appiattire il corpo ovunque tranne la coda. Il corpo diventa un'"ala morphing" che produce portanza e forze di trascinamento quando l'aria scorre su di esso, mentre accelera verso il basso per gravità. Socha ha esaminato queste proprietà aerodinamiche in più studi. Con l'appiattimento arriva l'ondulazione, come il serpente manda onde lungo il suo corpo.

All'inizio dello studio, Socha aveva una teoria per l'ondulazione aerea che ha spiegato confrontando due tipi di aerei:jumbo jet contro jet da combattimento. I jumbo jet sono progettati per la stabilità e iniziano a stabilizzarsi da soli quando vengono perturbati, Egli ha detto, mentre i combattenti vanno fuori controllo.

Allora quale sarebbe il serpente?

"È come un grande jumbo jet, o è naturalmente instabile?" Socha ha detto. "Questa ondulazione è potenzialmente un modo per affrontare la stabilità?"

Credeva che il serpente sarebbe stato più simile a un jet da combattimento.

Per eseguire test che indaghino sull'importanza dell'ondulazione per la stabilità, il team ha deciso di sviluppare un modello matematico 3D in grado di produrre planate simulate. Ma prima, avevano bisogno di misurare e analizzare cosa fanno i veri serpenti quando planano.

Nel 2015, i ricercatori hanno raccolto dati sulla cattura del movimento da 131 planate dal vivo realizzate da serpenti degli alberi del paradiso. Hanno trasformato il Cubo, un teatro a quattro piani al Moss Arts Center, in un'arena di volo al coperto e ha usato le sue 23 telecamere ad alta velocità per catturare il movimento dei serpenti mentre saltavano da 27 piedi in su - da un ramo di quercia in cima a un ascensore a forbice - e scivolavano giù su un albero artificiale sottostante, o sulla morbida imbottitura in schiuma circostante che la squadra ha disposto in fogli per attutire i loro atterraggi.

Le telecamere emettono luce a infrarossi, quindi i serpenti sono stati contrassegnati con nastro riflettente a infrarossi su 11-17 punti lungo i loro corpi, consentendo al sistema di motion capture di rilevare la loro posizione che cambia nel tempo. Trovare il numero di punti di misurazione è stato fondamentale per lo studio; negli esperimenti passati, Socha ha segnato il serpente in tre punti, poi cinque, ma quei numeri non fornivano informazioni sufficienti. I dati provenienti da un minor numero di punti video hanno fornito solo una comprensione approssimativa, creando un'ondulazione discontinua e a bassa fedeltà nei modelli risultanti.

La squadra ha trovato un punto debole tra 11 e 17 punti, che forniva dati ad alta risoluzione. "Con questo numero, potremmo ottenere una rappresentazione fluida del serpente, e preciso, " disse Socia.

I ricercatori hanno continuato a costruire il modello 3D digitalizzando e riproducendo il movimento del serpente mentre ripiegava le misurazioni che avevano precedentemente raccolto sulla distribuzione di massa e sull'aerodinamica. Esperto in modellazione dinamica, Ross ha guidato il lavoro di Yeaton su un modello continuo traendo ispirazione dal lavoro nel movimento dei veicoli spaziali.

Aveva lavorato con Socha per modellare serpenti volanti dal 2013, e i loro modelli precedenti trattavano il corpo del serpente in parti:prima in tre parti, come un tronco, un mezzo, e una fine, e poi come un mucchio di link. "Questo è il primo che è continuo, " ha detto Ross. "È come un nastro. È il più realistico fino a questo punto".

Negli esperimenti virtuali, il modello ha mostrato che l'ondulazione aerea non solo impediva al serpente di ribaltarsi durante le planate, ma ha aumentato le distanze orizzontali e verticali percorse.

Ross vede un'analogia per l'ondulazione del serpente nella rotazione di un frisbee:il movimento alternativo aumenta la stabilità rotazionale e si traduce in una migliore planata. Ondulando, Egli ha detto, il serpente è in grado di bilanciare le forze di sollevamento e trascinamento prodotte dal suo corpo appiattito, piuttosto che esserne sopraffatti e rovesciarsi, ed è in grado di andare oltre.

Gli esperimenti hanno anche rivelato al team dettagli che in precedenza non erano stati in grado di visualizzare. Videro che il serpente impiegava due onde quando ondeggiava:un'onda orizzontale di grande ampiezza e un'onda appena scoperta, onda verticale di ampiezza minore. Le onde andavano da una parte all'altra e su e giù allo stesso tempo, ei dati hanno mostrato che l'onda verticale andava a una velocità doppia di quella orizzontale. "Questo è davvero, davvero strano, " disse Socha. Queste doppie onde sono state scoperte solo in un altro serpente, un sidewinder, ma le sue onde vanno alla stessa frequenza.

"Ciò che rende davvero potente questo studio è che siamo stati in grado di far progredire notevolmente sia la nostra comprensione della cinematica di planata che la nostra capacità di modellare il sistema, " disse Yeaton. "Il volo dei serpenti è complicato, ed è spesso difficile convincere i serpenti a collaborare. E ci sono molte complessità per rendere accurato il modello computazionale. Ma è soddisfacente mettere insieme tutti i pezzi".

"In tutti questi anni, Penso di aver visto quasi mille planate, " ha detto Socha. "E 'ancora incredibile vedere ogni volta. Vedendolo di persona, c'è qualcosa di un po' diverso. È ancora scioccante. Cosa sta facendo esattamente questo animale? Essere in grado di rispondere alle domande che ho avuto da quando ero uno studente laureato, molti, molti anni dopo, è incredibilmente soddisfacente."

Socha attribuisce alcuni degli elementi che hanno modellato gli esperimenti di planata reale e simulata a forze fuori dal suo controllo. Il caso lo ha portato all'arena del volo indoor:pochi anni dopo l'apertura del Moss Arts Center, Tanner Upthegrove, un ingegnere dei media per l'Istituto per la creatività, arti, e Tecnologia, o ICAT, gli ha chiesto se avesse mai pensato di lavorare al Cubo.

"Cos'è il Cubo?" chiese. Quando Upthegrove gli mostrò lo spazio, era steso. Sembrava progettato per gli esperimenti di Socha.

In alcuni modi, era. "Molti progetti in ICAT hanno utilizzato la tecnologia avanzata del Cubo, uno studio unico al mondo, per rivelare ciò che normalmente non si poteva vedere, "ha detto Ben Knapp, il direttore fondatore dell'ICAT. "Scienziati, ingegneri, artisti, e designer uniscono le forze per costruire, creare, e innovare nuovi modi per affrontare le più grandi sfide del mondo."

In uno dei progetti in evidenza del centro, "Corpo, pieno di tempo, " i media e gli artisti visivi hanno utilizzato lo spazio per catturare i movimenti del corpo dei ballerini per una performance immersiva. Scambiando ballerini con serpenti, Socha è stato in grado di sfruttare al meglio il sistema di motion capture di Cube. Il team potrebbe spostare le telecamere in giro, ottimizzando la loro posizione per il percorso del serpente. Hanno approfittato del reticolo nella parte superiore dello spazio per posizionare due telecamere rivolte verso il basso, fornendo una vista dall'alto del serpente, cosa che non erano mai stati in grado di fare prima.

Socha e Ross vedono il potenziale per il loro modello 3D per continuare a esplorare il volo dei serpenti. Il team sta pianificando esperimenti all'aperto per raccogliere dati sul movimento da planate più lunghe. E un giorno, sperano di attraversare i confini della realtà biologica.

Proprio adesso, il loro serpente volante virtuale scivola sempre verso il basso, come il vero animale. Ma cosa accadrebbe se riuscissero a farlo muovere in modo che inizi effettivamente a salire? Volare davvero? Questa capacità potrebbe potenzialmente essere incorporata negli algoritmi dei serpenti robotici, che hanno applicazioni entusiasmanti nella ricerca e soccorso e nel monitoraggio dei disastri, disse Ross.

"I serpenti sono così bravi a muoversi in ambienti complessi, " disse Ross. "Se potessi aggiungere questa nuova modalità, funzionerebbe non solo in un ambiente naturale, ma in un ambiente urbano."

"In alcuni modi, Virginia Tech è un hub per l'ingegneria bio-ispirata, " ha detto Socha. "Studi come questo non solo forniscono informazioni su come funziona la natura, ma gettare le basi per un design ispirato alla natura. L'evoluzione è l'ultimo armeggiare creativo, e siamo entusiasti di continuare a scoprire le soluzioni della natura a problemi come questo, estraendo il volo da un cilindro oscillante."