动捕用新的3D模型显示了天堂树蛇如何使用空中波动飞行

Source：

2022 May. 20

By My Vet Candy

当天堂树蛇从一根高高的树枝飞到另一根树枝上时，它的身体就像一幅绿色的草书在一片空白的蓝天上荡漾。Chrysopelea家族是目前已知的唯一一种能飞行的无肢脊椎动物。科学家们已经知道了这一点，但还没有完全解释它。

20多年来，弗吉尼亚理工大学生物医学工程和力学系的教授杰克·索查(Jake Socha)一直在尝试测量和建模蛇飞行的生物力学，并回答有关它们的问题，比如空中波动的功能作用。为了发表在《自然物理》上的一项研究，Socha组建了一个跨学科的团队，开发了第一个连续的、在解剖学上精确的飞行中的天堂Chrysopelea 3D数学模型。

这个团队包括Kevin T. Crofton航空航天和海洋工程系的谢恩·罗斯(Shane Ross)教授，以及最近刚毕业的机械工程博士研究生、论文的第一作者艾萨克·耶顿(Isaac Yeaton)。他们在测量了100多条活蛇滑行后，开发出了这个3D模型。该模型将波动波的频率、方向、作用在物体上的力和质量分布等因素考虑在内。利用它，研究人员进行了虚拟实验来研究空中波动。

在一组实验中，为了了解为什么波动是每次滑翔的一部分，他们模拟了如果没有波动会发生什么——通过关闭它。当他们虚拟的飞行蛇无法再在空中波动时，它的身体开始翻滚。与模拟滑行相结合的测试证实了研究小组的假设:空中的波动增强了飞行蛇的旋转稳定性。

关于飞行和运动的问题充满了Socha的实验室。这个小组已经把他们的工作放在了飞行蛇的研究上，同时还研究了青蛙如何从水里跳跃而过，血液如何流过昆虫，以及鸭子如何在池塘里降落。在某种程度上，对Socha来说，探测波动在蛇滑行中的功能作用是很重要的，因为很容易假设它并没有真正的功能。

Socha说:“我们知道蛇的波动有各种各样的原因，也有各种移动的情况。”这是他们的基础项目。我说的程序是指他们的神经和肌肉程序?——他们接受了特定的指令:现在激活这条肌肉，激活那条肌肉，激活这条肌肉。这是古老的。它不仅仅是蛇。创造波动的模式是旧的模式。很有可能一条蛇飞到空中，然后它就想，‘我该怎么办?我是一条蛇。我起伏的。”

但索查相信还有更多。在天堂树蛇的飞行过程中，很多事情同时发生，用肉眼很难理清它们。Socha描述了每个滑翔发生的几个步骤——这些步骤读起来是有意的。

首先，蛇会跳起来，通常会把身体弯曲成一个“j形环”，然后跳起来，跳出来。当它发动的时候，蛇重新塑造了它的形状，它的肌肉移动，使它的身体舒展开来，除了尾巴。它的身体变成了“变形的翅膀”，当空气流过它时，它就会产生升力和阻力，因为它在重力作用下加速向下运动。Socha在多项研究中研究了这些空气动力特性。随着它的扁平，蛇的身体会产生波动。

在这项研究的开始，Socha有一个关于空中波动的理论，他通过比较两种类型的飞机来解释:大型喷气式飞机和喷气式战斗机。他说，大型喷气式飞机的设计是为了保持稳定，在受到干扰时，它们会自行水平飞行，而战斗机则会失控。

那么蛇会是哪条呢?

“它是像一架大型喷气式飞机，还是它本身就不稳定?”Socha说。“这种波动可能是它应对稳定的一种方式吗?”

他相信蛇会更像一架战斗机。

为了测试波动对稳定性的重要性，该团队着手开发一个3D数学模型来模拟滑行。但首先，他们需要测量和分析真正的蛇滑翔时的行为。

2015年，研究人员收集了131条天堂树蛇实时滑翔的动作捕捉数据。他们把立方体,一栋四层楼的黑盒在苔藓艺术中心剧院,到一个室内滑翔竞技场和利用其23高速摄像机捕捉蛇的运动,因为他们从27英尺——从一棵橡树分支在剪刀升降机,滑翔到人造树下面,或者周围的软泡沫填充的团队表缓冲着陆。

摄像机会熄灭红外光，所以蛇身上有11到17个点用红外反射胶带做标记，这样动作捕捉系统就能探测到蛇随时间变化的位置。确定测量点的数量是研究的关键;在过去的实验中，Socha在蛇身上标记了三个点，然后是五个点，但是这些数字并不能提供足够的信息。来自较少视频点的数据只提供了粗略的理解，使得产生的模型出现起伏和低保真度的波动。

研究小组发现最佳点在11到17分之间，这提供了高分辨率数据。Socha说:“有了这个数字，我们可以得到一个平滑的蛇的形象，而且是一个准确的形象。”

研究人员在折叠之前收集的质量分布和空气动力学数据的同时，对蛇的运动进行数字化和再现，进而建立了3D模型。罗斯是动态建模的专家，他从航天器运动的工作中获得灵感，指导Yeaton在连续模型上的工作。

从2013年起，他就和Socha一起制作了飞行蛇的模型，他们之前的模型把蛇的身体分成了三部分，分别是躯干、中间和末端，然后是一串连接。罗斯说:“这是第一个连续的。”“它就像一条丝带。这是最现实的。”

在虚拟实验中，模型显示，空中的波动不仅能防止蛇在滑翔过程中翻倒，还能增加水平和垂直飞行距离。

罗斯把蛇在飞盘旋转时的波动比喻为:往复运动增加了旋转的稳定性，使其滑翔得更好。他说，通过波动，蛇能够平衡它扁平的身体产生的升力和拉力，而不是被它们压得喘不过气来倒下，它能够走得更远。

实验还向研究小组揭示了他们之前无法想象的细节。他们发现蛇在波动时使用了两种波:一种振幅较大的水平波和一种新发现的振幅较小的垂直波。这些波同时从一边到另一边、上下移动，数据显示，垂直波的移动速度是水平波的两倍。“这真的，真的很奇怪，”索查说。这种双波只在另一种蛇身上发现过，那就是响尾蛇，但它的波的频率是一样的。

“真正使这项研究强大的是，我们能够极大地提高我们对滑翔运动学的理解和建模系统的能力，”Yeaton说。“蛇的飞行很复杂，让蛇合作通常很棘手。要使计算模型精确，还需要许多复杂的地方。但能把所有的碎片拼凑在一起让我很满足。”

他说:“这些年来，我看过近1000次滑翔。“每次看到它都让人惊叹。亲自去看，会有一些不同。太令人震惊了。这只动物到底在做什么?许多年后，能够回答我从研究生时代就有的问题，是一种令人难以置信的满足。”

Socha认为，造成真实和模拟滑翔实验的一些因素是他无法控制的。一次偶然的机会把他带到了室内的滑翔竞技场:在莫斯艺术中心开业几年后，创意、艺术和技术研究所(Institute for Creativity, Arts, and Technology，简称ICAT)的媒体工程师坦纳·厄普西格罗夫(Tanner Upthegrove)问他是否想过在这个立方体工作。

“立方体是什么?”他问。当厄普斯格罗夫向他展示空间时，他被击倒在地。它似乎是为Socha的实验设计的。

在某些方面，的确是这样。“ICAT的许多项目使用了立方体的先进技术，一个不同于世界上任何其他工作室，揭示了通常看不到的东西，”ICAT的创始董事Ben Knapp说。“科学家、工程师、艺术家和设计师在这里联合起来，建立、创造和创新新的方法来应对世界上最伟大的挑战。”

在该中心的特色项目之一“身体，充满时间”(Body, Full of Time)中，媒体和视觉艺术家利用这个空间捕捉舞者的身体动作，进行身临其境的表演。把舞者换成蛇，Socha能够充分利用魔方的动作捕捉系统。这个团队可以移动摄像机，优化他们的位置以适应蛇的路径。他们利用空间顶部的格子结构，放置了两个向下的摄像头，提供了蛇的头顶视野，这是他们以前从未有过的。

Socha和Ross认为他们的3D模型有潜力继续探索蛇的飞行。该团队计划进行户外实验，从较长时间的滑翔中收集运动数据。他们希望有一天能够跨越生物现实的边界。

现在，他们的虚拟飞行蛇总是滑翔下来，就像真的动物一样。但如果他们能让它移动，让它真的开始上升呢?真正飞吗?罗斯说，这种能力有可能被植入机器蛇的算法中，这些算法在搜索、救援和灾害监测方面有令人兴奋的应用。

“蛇非常擅长在复杂的环境中移动，”罗斯说。“如果你能加入这种新的模式，它不仅在自然环境中有效，在城市环境中也有效。”

Socha说:“在某些方面，弗吉尼亚理工大学是一个生物灵感工程的中心。”像这样

青瞳视觉编译，其目的是为了将更好的内容分享给更多人，版权依旧归原作者所有。若有涉及侵权请予以告知，我们会尽快在24小时内删除相关内容，谢谢。