Слоны очень точно управляют своим хоботом, а сам он — сложный и эффективный инструмент. С его помощью животные поднимают тяжелые ветки и другие крупные предметы, а уже секунду спустя — аккуратно снимают плоды с дерева или осторожно забирают еду из рук человека, не раздавив ее. Такие возможности связаны не только с мощными мышцами и большим количеством нервных окончаний в коже. Исследования показали: важную роль играют специальные волоски на поверхности хобота. Давайте разбираться, что они дают и как устроены (и как этот принцип работы уже используют инженеры).
Универсальный орган, отточенный эволюцией
Хобот сформировался в процессе эволюции как слияние верхней губы и носа. У африканских слонов на конце расположены два гибких выроста, напоминающих пальцы, у азиатских — один. Внутри органа проходят десятки тысяч мышечных волокон. Ученые подсчитали, что в среднем их от 40 до 100 тысяч. Благодаря этой плотной сети хобот может изгибаться в любые стороны, сворачиваться кольцом или вытягиваться.
Поэтому хобот слона — многоцелевой и универсальный инструмент. Он служит для дыхания, обоняния, засасывания воды с последующим направлением в рот, поиска корма в труднодоступных местах. Животные применяют его в социальных взаимодействиях — для приветствий, ласковых касаний детенышей или передачи сигналов сородичам в стаде. В густой растительности хобот помогает прокладывать путь, ощупывая окружение, а при общении усиливает восприятие запахов и эмоциональных нюансов.
Кожа органа богата рецепторами по всей поверхности, а по бокам хобота растут ряды жестких волосков. Раньше их воспринимали исключительно как защиту от внешних воздействий — пыли, грязи или насекомых. Однако новая работа ученых изменила это представление.
Что за волоски на хоботе и как они работают
Эти волоски называются вибриссами. Они толстые, лопатообразные и имеют плоское сечение. Как и у других млекопитающих, это высокочувствительные органы осязания. Только вот устроены они иначе.
В отличие от большинства животных, усы которых сужаются к концу, у слонов их толщина почти не меняется по всей длине. А еще вибриссы неподвижны — вокруг их основания нет мышц, поэтому слон не может специально ими двигать. Вибриссы реагируют только при прямом касании: когда хобот приближается к объекту, они соприкасаются с ним первыми и изгибаются. И еще одна немаловажная деталь — поврежденные вибриссы не восстанавливаются.
Команда из Института интеллектуальных систем Макса Планка (Max Planck Institute for Intelligent Systems) использовала несколько методов, чтобы разобраться в устройстве вибриссов. Микрокомпьютерная томография позволила увидеть их внутреннюю структуру и пористость, а сканирующая электронная микроскопия — изучить поверхность и строение стенок. А еще с помощью наноиндентирования (метода, при котором крошечный алмазный наконечник вдавливают в материал) ученые измерили жесткость волоска по всей его длине. Затем напечатали увеличенную копию на 3D-принтере и провели компьютерное моделирование, чтобы понять, как волоски ведут себя при изгибе и нагрузке.
Выяснилось, что волоски неодинаково устроены по всей длине. У основания они жесткие и плотные, а ближе к кончику становятся мягче и гибче. Внутри скрыта пористая структура с мелкими полостями, чем-то похожая на строение рогов у других копытных. Благодаря этому волоски остаются легкими и при этом лучше выдерживают резкие изгибы, не ломаясь при ударе или сильном контакте.
Такая разная структура по длине неслучайна — она помогает лучше чувствовать прикосновения. Когда волосок изгибается, его жесткое основание реагирует иначе, чем мягкий кончик. По характеру отклика можно понять, где именно произошло касание. На увеличенной 3D-модели довольно неплохо видно: если постучать по волоску ближе к основанию, сигнал получается более резким, а у кончика он становится мягче. Выходит, что благодаря форме и внутреннему строению волоска слон различает точку контакта без сложной дополнительной обработки.
Когда волосок изгибается при касании, это движение передается к его основанию — в фолликул, углубление в коже, где он закреплен. Вокруг каждой волосяной сумки расположена плотная сеть нервных окончаний, которые улавливают даже небольшие изменения. Оттуда сигналы поступают в мозг и объединяются с информацией от кожных рецепторов и мышечных датчиков положения.
Если сравнивать с тактильными системами других млекопитающих, хобот — один из самых богато иннервируемых органов, а волоски усиливают этот эффект. Благодаря своему строению вибриссы уже на уровне механики моделируют характер сигнала в момент касания предмета или живого существа. В результате слоны довольно точно прикладывают усилия в ситуациях, где особенно важна аккуратность: при передвижении в густой растительности или при прикосновениях.
Что это открытие может изменить в робототехнике
Эти результаты заинтересовали инженеров. Тактильные датчики роботов обычно строятся на электронике: есть множество чувствительных элементов и алгоритмы, которые интерпретируют сигналы. В случае же с реальным хоботом, часть информации передается уже через сам материал — благодаря его форме и внутренней структуре.
Поэтому исследователи рассматривают возможность создать искусственные аналоги — тонкие элементы из композитов или полимеров с похожим градиентом жесткости. Идея в том, чтобы сенсор сам по себе давал различимый механический отклик в зависимости от точки контакта, без сложной дополнительной обработки. Такие прототипы уже испытывают в мягкой робототехнике — например, внедряют в гибкие манипуляторы, медицинские инструменты и устройства для работы в труднодоступных местах.
«Градиент жесткости создает своего рода карту, которая помогает слонам определять, в каком месте вибрисса произошло соприкосновение — насколько близко или далеко хобот находится от объекта… Сенсоры с искусственно заданным градиентом жесткости, похожим на слоновий, могли бы давать точную информацию при минимальных вычислительных затратах — исключительно за счет продуманной конструкции материала», — заявил глава исследовательской группы.
Так часть инженерных задач можно решать не за счет все более сложной электроники, а за счет продуманной механики. Такой подход поможет создавать более надежные и точные устройства.