Щупальца у слонов действуют как сенсоры касания, встроенные в хобот

Электорады тактильной интеллигенции: исследование структуры хобота слонов раскрывает механизмы осязания

Недавнее исследование, опубликованное в журнале Science, пролило свет на удивительные механизмы осязания слонов, которые могут поднимать тяжелые бревна, бросать песок и, одновременно, не раздавить арахис. Эта способность сочетать силу и деликатность долгое время оставалась загадкой, особенно учитывая, что у слонов толстая кожа и relativamente плохое зрение.

Группа исследователей из Института умных систем Макса Планка (MPI-IS), работающая в сотрудничестве с нейробиологами из Университета Гумбольдта в Берлине и учеными-материаловедами из Университета Штутгарта, обнаружила, что часть ответа заключается в самой структуре хобота. На поверхностях хобота расположено примерно 1000 усов, которые действуют как сенсорный массив. Эти усы имеют «функциональные градиенты», благодаря которым ощущение контакта различается в зависимости от его места на усах.

Исследование, возглавляемое постдоктором Андреем К. Шульцем и профессором Катериной J. Кухенбекер из MPI-IS, задало вопрос: как именно строятся и функционируют эти усы? В ходе работы команда исследовала 5-сантиметровые усы слонов и домашних котов на уровне, достигающем одного нанометра, что делает исследование основательным и разносторонним.

Исследователи сосредоточились на трех основных аспектах, которые формируют поведение усов при контакте: геометрия, пористость и жесткость. Оказалось, что усы хобота слона имеют уникальную форму с плоским поперечным сечением и полыми основанием, что напоминает структуры, наблюдаемые в рогах овец и копытах лошадей. Такой пористый каркас снижает массу и повышает ударопрочность, что крайне важно, поскольку слоны ежедневно потребляют сотни килограммов пищи, а усы не обладают способностью к регенерации.

Согласно данным, полученным в результате наноиндентации, усы слонов варьируются по жесткости от твердой основы до мягкого кончика. В исследовании было выявлено, что усы взрослых слонов имеют модуль упругости, который увеличивается от 0.57 ГПа у молодых до 2.99 ГПа у взрослых особей на основании.

Это открытие выводит на новый уровень понимания механики осязания у слонов. Открытие функциональных градиентов в усах позволяет предположить, что структура сама по себе кодирует информацию о местоположении контакта, облегчая слонам осознание расстояния между хоботом и объектами вокруг.

Исследование также имеет практические приложения в области робототехники. Учёные предполагают, что создание биовдохновлённых сенсоров с искусственными градиентами жесткости, аналогичными усам слонов, может обеспечить точную информацию без высокой вычислительной нагрузки. Это открывает возможность создания новых датчиков, которые смогут «сообщать», где произошло касание, используя только свои материалы.

Как отметил Шульц, «Это удивительно! Градиент жесткости предоставляет карту, позволяющую слонам определять, где происходит контакт вдоль каждого уса. Эта особенность помогает им осознавать, как близко или далеко находится их хобот от объекта». Таким образом, исследование не только углубляет понимание тактильной адаптации у слонов, но и может открывать новые горизонты в разработке умных материалов и сенсоров, способных повторить сложные функции биосистем.