Слоны умны. Их усы тоже.
Хобот слона — это чудо эволюции. Нежный, но ловкий, он может поднимать твёрдые предметы, помогать им общаться и быть полезным инструментом для душа. Внутри хобота — 1000 усов, которые дают крупным животным очень сильное осязание, чтобы компенсировать плохое зрение и толстую кожу. Они также больше похожи на усы кошки и имеют конструкцию, которую инженеры считают «интеллектуальной», согласно исследованию, опубликованному сегодня в журнале Science.
Чтобы изучить, как работают усы хобота слона, инженеры из Института интеллектуальных систем Макса Планка, неврологи из Берлинского университета имени Гумбольдта и материаловеды из Университета Штутгарта в Германии объединили усилия. Они надеялись понять, как устроены усы (их геометрия), насколько они пористые (пористость) и насколько мягкие (жёсткость материала). Изначально команда ожидала, что усы будут больше похожи на конические усы мышей и крыс. Усы грызунов имеют круглое поперечное сечение, полностью твёрдые по всей длине и примерно одинаковую жёсткость.
Они использовали микро-компьютерную томографию для измерения трёхмерной формы нескольких усов и обнаружили, что усы слонов на самом деле сильно отличаются от усов крыс и больше похожи на те, что у домашних кошек. Усы хобота слона более толстые и клиновидные, имеют уплощённое поперечное сечение, полый основание и несколько длинных внутренних каналов, которые больше похожи на структуру овечьих рогов и лошадиных копыт. Более пористая структура уменьшает массу усов и обеспечивает ударопрочность, что помогает им есть сотни фунтов пищи, не повреждая усы. Не повредить эти усы жизненно важно, поскольку они не отрастают.
Кроме того, усы на морде домашних кошек и внутри хобота слонов имеют жёсткие основания, которые переходят в мягкие резиновые кончики, которые работают иначе, чем равномерно жёсткие усы мышей и крыс. Переход от жёсткости к мягкости в усах называется функциональным градиентом. Он сохраняет их целостность и помогает слону определять, что он чувствует. Команда считает, что необычный градиент жёсткости усов слонов помогает им точно определять, где объект соприкасается с каждым из их 1000 усов хобота.
Другими словами, градиент жёсткости помогает объяснить, как они могут поднять хрупкую тортилью, не ломая её, или точно взять арахис. Команда также сравнила усы хобота со шерстью на теле слона.
«Волосы на голове, теле и хвосте азиатских слонов жёсткие от основания до кончика, что мы и ожидали, когда обнаружили удивительный градиент жёсткости усов хобота слона», — сказал в заявлении Эндрю К. Шульц, соавтор исследования и научный сотрудник Института интеллектуальных систем Макса Планка.
Команда исследователей работала над подготовкой усов слона из разных частей хобота для методов передовой микроскопии и характеризации. Изображение: MPI-IS/W. Scheible.
Чтобы лучше понять, как изменение жёсткости вдоль уса слона повлияет на осязание, они создали физическую «кисточку для усов» с помощью 3D-принтера. У кисточки было жёсткое тёмное основание и мягкий прозрачный наконечник, что помогло исследователям понять, что чувствует хобот слона через усы.
Соавтор исследования и инженер Кэтрин Дж. Кученбекер носила кисточку для усов с собой, когда шла по коридорам, слегка задевая колонны и перила.
«Я заметила, что прикосновение к перилам разными частями кисточки для усов ощущается по-разному — мягко и нежно на кончике и резко и сильно у основания», — рассказала Кученбекер. «Мне не нужно было смотреть, чтобы знать, где происходит контакт; я могла это почувствовать».
Кэтрин Дж. Кученбекер (слева) и Эндрю К. Шульц (справа) с 3D-печатной кисточкой для усов, которая помогла исследовательской группе понять, как функциональный градиент жёсткости материала может облегчить восприятие контакта усами слона и кошки. Изображение: MPI-IS/W. Scheible.
После тестирования кисточки для усов они использовали компьютерное моделирование, чтобы оценить, как уникальная геометрия, пористость и градиенты жёсткости, которые они измерили, влияют на реакцию уса слона при контакте с объектом. Они обнаружили, что переход от жёсткого основания к мягкому кончику облегчает ощущение того, где что-то касается уса, позволяя слону адекватно реагировать и аккуратно манипулировать хрупкими предметами.
«Это довольно удивительно! Градиент жёсткости обеспечивает карту, позволяющую слонам определять, где происходит контакт вдоль каждого уса», — сказал Шульц. «Это свойство помогает им знать, насколько близко или далеко их хобот от объекта… всё заложено в геометрии, пористости и жёсткости уса. Инженеры называют это явление воплощённым интеллектом».
Команда надеется, что эти идеи можно будет применить в робототехнике и других интеллектуальных системах. Датчик с искусственным градиентом жёсткости, подобным слоновьему, может помочь будущему роботу получать более точную информацию благодаря его простому, но интеллектуальному дизайну.