Cuando la serpiente del árbol del paraíso vuela de una rama alta a otra, su cuerpo se agita con ondas como la cursiva verde sobre un cielo azul en blanco. Ese movimiento, ondulación aérea, ocurre en cada planeo realizado por miembros de la familia Chrysopelea, los únicos vertebrados sin extremidades conocidos capaces de volar. Los científicos lo han sabido, pero aún no lo han explicado por completo.
Durante más de 20 años, Jake Socha, profesor del Departamento de Ingeniería Biomédica y Mecánica de Virginia Tech, ha tratado de medir y modelar la biomecánica del vuelo de las serpientes y responder preguntas sobre ellos, como el papel funcional de la ondulación aérea. Para un estudio publicado por Nature Physics , Socha reunió a un equipo interdisciplinario para desarrollar el primer modelo matemático 3D continuo y anatómicamente preciso de Chrysopelea paradisi en vuelo.
El equipo, que incluía a Shane Ross, profesor del Departamento de Ingeniería Aeroespacial y Oceánica Kevin T. Crofton, e Isaac Yeaton, un reciente doctorado en ingeniería mecánica y autor principal del artículo, desarrollaron el modelo 3D después de medir más de 100 serpientes vivas. se desliza El modelo tiene en cuenta las frecuencias de ondas ondulantes, su dirección, las fuerzas que actúan sobre el cuerpo y la distribución de masa. Con él, los investigadores han realizado experimentos virtuales para investigar la ondulación aérea.
En un conjunto de esos experimentos, para saber por qué la ondulación es parte de cada planeo, simularon lo que sucedería si no fuera así, apagándolo. Cuando su serpiente voladora virtual ya no podía ondular aéreamente, su cuerpo comenzó a caer. La prueba, combinada con deslizamientos simulados que mantuvieron las olas de ondulación, confirmó la hipótesis del equipo: la ondulación aérea mejora la estabilidad rotacional en las serpientes voladoras.
Cuestiones de vuelo y movimiento llenan el laboratorio de Socha. El grupo ha ajustado su trabajo sobre las serpientes voladoras entre los estudios sobre cómo las ranas saltan del agua y se deslizan sobre ella, cómo fluye la sangre a través de los insectos y cómo los patos aterrizan en los estanques. En parte, era importante para Socha investigar el papel funcional de la ondulación en los deslizamientos de serpientes porque sería fácil suponer que realmente no tenía uno.
«Sabemos que las serpientes se ondulan por todo tipo de razones y en todo tipo de contextos locomotores», dijo Socha. «Ese es su programa basal. Por programa, me refiero a su programa neuronal y muscular. Están recibiendo instrucciones específicas: disparen este músculo ahora, disparen ese músculo, disparen este músculo. Es antiguo. Va más allá de las serpientes. Ese patrón de crear ondulaciones es antiguo. Es muy posible que una serpiente se levante en el aire y luego diga: «¿Qué hago? Soy una serpiente. Ondulo».
Pero Socha creía que había mucho más. A lo largo del vuelo de la serpiente del árbol del paraíso, tantas cosas suceden a la vez, es difícil desenredarlas a simple vista. ¿Socha describió algunos pasos que tienen lugar con cada planeo? – pasos que se leen como intencionales.
Primero, la serpiente salta, generalmente curvando su cuerpo en un «J-loop» y brotando hacia arriba y hacia afuera. Cuando se lanza, la serpiente reconfigura su forma, sus músculos se desplazan para aplanar su cuerpo en todas partes, excepto en la cola. El cuerpo se convierte en un «ala de transformación» que produce fuerzas de elevación y arrastre cuando el aire fluye sobre él, a medida que se acelera hacia abajo bajo la gravedad. Socha ha examinado estas propiedades aerodinámicas en múltiples estudios. Con el aplanamiento viene la ondulación, ya que la serpiente envía ondas por su cuerpo.
Al comienzo del estudio, Socha tenía una teoría para la ondulación aérea que explicó al comparar dos tipos de aviones: aviones jumbo versus aviones de combate. Los aviones jumbo están diseñados para la estabilidad y comienzan a nivelarse por sí solos cuando están perturbados, dijo, mientras que los cazas se salen de control.
Entonces, ¿cuál sería la serpiente?
«¿Es como un gran jumbo o es naturalmente inestable?» Socha dijo. «¿Esta ondulación es potencialmente una forma de lidiar con la estabilidad?»
Creía que la serpiente sería más como un avión de combate.
Para realizar pruebas que investigan la importancia de la ondulación para la estabilidad, el equipo se propuso desarrollar un modelo matemático 3D que podría producir deslizamientos simulados. Pero primero, necesitaban medir y analizar qué hacen las serpientes reales cuando planean.
En 2015, los investigadores recolectaron datos de captura de movimiento de 131 deslizamientos en vivo hechos por serpientes de árboles del paraíso. Convirtieron a The Cube, un teatro de caja negra de cuatro pisos en el Moss Arts Center, en una arena de deslizamiento interior y usaron sus 23 cámaras de alta velocidad para capturar el movimiento de las serpientes mientras saltaban desde 27 pies hacia arriba, desde un roble rama de un árbol encima de un elevador de tijera, y se deslizó hacia un árbol artificial debajo, o sobre el acolchado de espuma suave circundante que el equipo dispuso en sábanas para amortiguar sus aterrizajes.
Las cámaras emitieron luz infrarroja, por lo que las serpientes se marcaron con cinta reflectante de infrarrojos en 11 a 17 puntos a lo largo de sus cuerpos, lo que permite que el sistema de captura de movimiento detecte su posición cambiante con el tiempo. Encontrar el número de puntos de medición ha sido clave para el estudio; En experimentos anteriores, Socha marcó a la serpiente en tres puntos, luego en cinco, pero esos números no proporcionaron suficiente información. Los datos de menos puntos de video solo proporcionaron una comprensión aproximada, lo que hizo que la ondulación entrecortada y de baja fidelidad en los modelos resultantes.
El equipo encontró un punto óptimo en 11 a 17 puntos, lo que dio datos de alta resolución. «Con este número, podríamos obtener una representación suave de la serpiente, y una precisa», dijo Socha.
Los investigadores continuaron construyendo el modelo 3D digitalizando y reproduciendo el movimiento de la serpiente mientras doblaban las mediciones que habían recopilado previamente sobre distribución de masa y aerodinámica. Ross, experto en modelado dinámico, guió el trabajo de Yeaton en un modelo continuo inspirándose en el trabajo en movimiento de naves espaciales.
Había trabajado con Socha para modelar serpientes voladoras desde 2013, y sus modelos anteriores trataban el cuerpo de la serpiente en partes, primero en tres partes, como un tronco, un medio y un extremo, y luego como un montón de enlaces. «Este es el primero que es continuo», dijo Ross. «Es como una cinta. Es lo más realista hasta este punto».
En experimentos virtuales, el modelo mostró que la ondulación aérea no solo evitó que la serpiente se volcara durante los deslizamientos, sino que aumentó las distancias horizontales y verticales recorridas.
Ross ve una analogía para la ondulación de la serpiente en el giro de un frisbee: el movimiento alternativo aumenta la estabilidad rotacional y da como resultado un mejor deslizamiento. Al ondularse, dijo, la serpiente puede equilibrar las fuerzas de elevación y arrastre que produce su cuerpo aplanado, en lugar de ser abrumada por ellas y caerse, y puede ir más allá.
Los experimentos también revelaron al equipo detalles que no habían podido visualizar previamente. Vieron que la serpiente empleaba dos ondas cuando ondulaba: una onda horizontal de gran amplitud y una onda vertical recién descubierta de menor amplitud. Las ondas iban de lado a lado y hacia arriba y hacia abajo al mismo tiempo, y los datos mostraron que la onda vertical fue al doble de la velocidad de la horizontal. «Esto es realmente extraño», dijo Socha. Estas ondas dobles solo se han descubierto en otra serpiente, una bobinadora lateral, pero sus ondas van a la misma frecuencia.
«Lo que realmente hace que este estudio sea poderoso es que pudimos avanzar dramáticamente tanto en nuestra comprensión de la cinemática del deslizamiento como en nuestra capacidad para modelar el sistema», dijo Yeaton. «El vuelo de la serpiente es complicado, y a menudo es difícil lograr que las serpientes cooperen. Y hay muchas complejidades para hacer que el modelo computacional sea preciso. Pero es satisfactorio juntar todas las piezas».
«En todos estos años, creo que he visto cerca de mil deslizamientos», dijo Socha. «Todavía es sorprendente verlo cada vez. Al verlo en persona, hay algo un poco diferente al respecto. Todavía es impactante. ¿Qué está haciendo exactamente este animal? Ser capaz de responder las preguntas que he tenido desde que era un estudiante graduado, muchos, muchos años después, es increíblemente satisfactorio «.
Socha atribuye algunos de los elementos que dieron forma a los experimentos de planeo reales y simulados a fuerzas fuera de su control. Chance lo llevó a la arena de deslizamiento bajo techo: unos años después de la apertura del Centro de Artes Moss, Tanner Upthegrove, ingeniero de medios del Instituto de Creatividad, Arte y Tecnología, o ICAT, le preguntó si alguna vez había pensado en el cubo.
«¿Qué es el cubo?» preguntó. Cuando Upthegrove le mostró el espacio, fue derribado. Parecía diseñado para los experimentos de Socha.
De alguna manera, lo fue. «Muchos proyectos en ICAT utilizaron la tecnología avanzada de Cube, un estudio diferente a cualquier otro en el mundo, para revelar lo que normalmente no se podía ver», dijo Ben Knapp, el director fundador de ICAT. «Los científicos, ingenieros, artistas y diseñadores unen fuerzas aquí para construir, crear e innovar nuevas formas de abordar los desafíos más grandes del mundo».
En uno de los proyectos destacados del centro, «Body, Full of Time», los artistas de medios y visuales utilizaron el espacio para capturar en movimiento los movimientos corporales de los bailarines para una actuación inmersiva. Al intercambiar bailarines por serpientes, Socha pudo aprovechar al máximo el sistema de captura de movimiento del Cubo. El equipo podría mover las cámaras, optimizando su posición para el camino de la serpiente. Aprovecharon el enrejado en la parte superior del espacio para colocar dos cámaras apuntando hacia abajo, proporcionando una vista aérea de la serpiente, que nunca antes habían podido hacer.
Socha y Ross ven potencial para que su modelo 3D continúe explorando el vuelo de la serpiente. El equipo está planeando experimentos al aire libre para recopilar datos de movimiento de deslizamientos más largos. Y un día, esperan cruzar los límites de la realidad biológica.
En este momento, su serpiente voladora virtual siempre se desliza hacia abajo, como el animal real. Pero, ¿qué pasaría si pudieran hacer que se moviera para que realmente comenzara a subir? ¿De verdad volar? Esa capacidad podría incorporarse a los algoritmos de las serpientes robóticas, que tienen aplicaciones interesantes en búsqueda y rescate y monitoreo de desastres, dijo Ross.
«Las serpientes son tan buenas para moverse en entornos complejos», dijo Ross. «Si pudiera agregar esta nueva modalidad, funcionaría no solo en un entorno natural, sino también en un entorno urbano».
«De alguna manera, Virginia Tech es un centro para la ingeniería bioinspirada», dijo Socha. «Estudios como este no solo proporcionan una idea de cómo funciona la naturaleza, sino que sientan las bases para un diseño inspirado en la naturaleza. La evolución es el mejor creador creativo, y estamos entusiasmados de seguir descubriendo las soluciones de la naturaleza a problemas como este, extrayendo vuelo de un cilindro que se menea «.
