Исследование по биомеханике раскрывает, как крошечные насекомые обнаруживают силу
Новое исследование, опубликованное в Journal of Neurophysiology, показывает, как синие мясные мухи (Calliphora vicina), несмотря на минимальный вес тела, надежно обнаруживают силы с помощью специализированных сенсорных органов в ногах. Работа дает новое представление о биомеханике насекомых и предлагает перспективные применения для проектирования роботов следующего поколения.
Исследователи из Университета Маршалла и Университета Западной Вирджинии изучили поведение кампаниформных сенсилл — органов чувств в голени задней ноги мухи, определяющих деформацию, — и то, как они кодируют механические силы во время позы и движения. Эксперименты показали, что эти сенсоры высокочувствительны не только к величине силы, но и к скорости её изменения. Даже очень небольшие, кратковременные уменьшения силы сильно подавляли активность сенсоров.
«Обнаружение силы играет решающую роль в балансе и локомоции», — сказала Саша Зилл, доктор философии, профессор биомедицинских наук в Школе медицины Джоан С. Эдвардс Университета Маршалла и ведущий автор исследования. «Наши результаты показывают, что даже легковесные насекомые, такие как мясные мухи, должны отслеживать как величину силы, так и её динамику, и делают они это удивительно сложными способами».
Исследование показало, что кампаниформные сенсиллы у мясных мух обнаруживают как силу, так и скорость приложения силы. Сенсорные ответы демонстрируют гистерезис и чувствительность даже к кратковременным уменьшениям силы. Математическая модель, разработанная для более крупных насекомых, точно воспроизвела эти ответы, что подтверждает идею о том, что обнаружение силы — это универсальная, масштабируемая стратегия у разных видов. Она помогает в контроле мышц и балансе и может помочь в проектировании более стабильных и адаптируемых шагающих роботов.
«Этот подход к моделированию может помочь нам лучше понять настройку сенсорных систем у животных и улучшить локомоцию роботов, имитируя то, как реальные сенсорные системы реагируют на силу, соединяя биологическое понимание с практическими инженерными приложениями в биомеханике и робототехнике», — сказала Зилл.
Другими авторами исследования стали Сумайя Чаудхри и Хибба Чаудхри из Школы медицины Джоан С. Эдвардс Университета Маршалла, а также Николас Щецински, доктор философии, из Департамента машиностроения и аэрокосмической техники Университета Западной Вирджинии.