Serpentes rastejantes "difratam" como partículas quânticas

Quando as serpentes de nariz de pá ocidentais deslizam rapidamente pelo terreno misto, elas respondem passivamente a obstáculos sem entrada neural. Essa é a conclusão surpreendente de Daniel Goldman e seus colegas do Instituto de Tecnologia da Geórgia nos EUA. Além disso, os caminhos percorridos pelos répteis têm mais do que uma semelhança passageira com as trajetórias das partículas quânticas. A equipe acredita que a resposta mecânica da cobra a obstáculos poderia inspirar novos tipos de robôs sem limiar que poderiam atravessar ambientes complexos.

“Os robôs modernos são fantásticos se o ambiente é realmente simples, mas quando complexo, como no mundo real terrestre com galhos, folhas e areia, o desempenho do robô se degrada rapidamente”, explica Goldman, chefe do Complexo Reológico e Biomecânico ( CRAB) laboratório.

Cobras são capazes de deslizar através de uma incrível variedade de terreno, tornando-os animais particularmente interessantes para imitar. "Se pudermos incorporar alguns dos princípios pelos quais os sistemas vivos controlam os corpos sem membros, isso poderia um dia dar aos robôs a capacidade de ir a qualquer lugar no mundo terrestre", disse Goldman.

Faça a locomoção

Em trabalhos anteriores, Jennifer Rieser, do laboratório CRAB, descobriu que quando um robô parecido com uma cobra (movendo-se com um simples padrão de onda) colidiu com um obstáculo, ele interagiu persistentemente até passar e se afastar em ângulo com sua trajetória inicial. Rieser mediu um padrão de dispersão previsível e, em seguida, juntou-se a Perrin Schiebel para investigar se as mesmas dinâmicas de locomoção foram encontradas em cobras reais.

Animais sem membros têm uma dinâmica complexa - eles podem dobrar e girar em todas as direções para obter uma infinidade de formas - e entender essa complexidade pode ser muito difícil. Assim, Rieser e Schiebel simplificaram as coisas concentrando-se na serpente de nariz de pá, que usa ondas relativamente simples da cabeça para a cauda para deslizar rapidamente pelas areias do deserto à noite.

Usando oito cobras vendadas, eles colocaram uma criatura de cada vez em uma arena atapetada com uma treliça de treliça 1D (ver figura). Uma câmera de alta velocidade foi usada para rastrear as cobras enquanto elas realizavam 253 manobras através da rede.

“Quando colocamos as cobras na arena, elas começaram a se mover usando a mesma forma de onda que usam na areia do deserto”, explica Schiebel. "Eles então encontram a grade de pinos, passam por ela e continuam do outro lado ainda usando essa forma de onda."

Difração de cobra

A primeira e mais incomum observação feita pelos físicos foi que o padrão geral de como as cobras emergiram da rede era muito semelhante a como os fótons interagem com uma grade de difração.

Goldman ficou surpreso ao ver isso e explicou: "No mundo quântico, você vê partículas individuais interagindo com uma matriz regular e emergindo em ângulos preferenciais, mas eu não esperava ver esses fenômenos ao trabalhar com animais e robôs".

O especialista em biomecânica Noah Cowan, da Universidade Johns Hopkins, disse à Physics World que essa conexão é “impressionante”, acrescentando que “tem um padrão de difração notavelmente similar a uma grade de difração de fótons”. De fato, a Goldman está interessada em descobrir se a difração de partículas subatômicas pode ser imitada e investigada usando serpentes.

Dinâmica passiva

Embora as cobras vivas se movam muito mais rápido através da estrutura do que os robôs de Rieser, seus padrões de dispersão são muito semelhantes. Isso sugere que o sistema de controle de navegação usado pelas cobras se parece com o usado pelos robôs - um “sistema de malha aberta” que não possui feedback e resposta sensorial.

"Quando as cobras do deserto se espalham, elas estão se movendo tão rápido que não achamos que o sistema nervoso possa corrigir as perturbações", disse Goldman. "E com base no padrão de difração e no padrão de força gerado na matriz, as cobras parecem manter esse programa motor e fechar um ciclo de feedback quando estão na rede."

Para corroborar ainda mais essa resposta mecânica puramente passiva, de ciclo aberto, a equipe do laboratório CRAB modelou a dinâmica geométrica do músculo da cobra com controles de malha aberta, e descobriu que ela se aproxima do padrão experimental de dispersão da cobra.