Открыт пропульсивный сустав палочника

Палочник — популярный модельный организм в биологических исследованиях для понимания механизмов ходьбы насекомых. Его преимущество — сравнительно простая структура частей тела и нервной системы. Десятилетиями в учебниках утверждалось, что сила для поддержания позы тела и для движения контролируется независимо разными суставами. Теперь, как сообщает биолог Крис Даллманн, «это неверно». Докторант в кластере передовых исследований Cognitive Interaction Technology (CITEC) в Билефельдском университете объясняет: «На самом деле, одна и та же структура отвечает за обе функции, и мы можем это показать с помощью наших новых анализов». Даллманн представил эти результаты вместе с профессорами д-ром Фолькером Дюрром и д-ром Йозефом Шмитцем в престижном биологическом журнале Proceedings of the Royal Society.

«Мы хотели выяснить, как движется палочник и какую функцию играют отдельные части его ноги в движении», — объясняет профессор д-р Йозеф Шмитц, который вместе с профессором д-ром Фолькером Дюрром курирует диссертацию Криса Даллманна. «Удивительно, но сила для движения вперёд и поддержания позы тела исходит от одного и того же сустава. Этот сустав служит силовой установкой и генерирует наибольшее усилие в ноге. Другие суставы ноги служат, в некотором роде, рулевыми устройствами, которые перенаправляют эту силу так, что насекомое может и удерживаться над землёй, и продвигаться вперёд», — говорит Даллманн. «Похожий принцип работает, например, в полёте насекомых, где крупные силовые мышцы обеспечивают основную силу, которая затем перенаправляется меньшими рулевыми мышцами для создания подъёмной силы и сопротивления. Этот принцип функционального разделения, по-видимому, выдержал проверку эволюцией».

До недавнего времени биологи во всём мире считали, что сила для поступательного движения палочника исходит от сустава, который двигает ногу назад. «Причиной этого неверного предположения было то, что методы измерений были недостаточно точными», — объясняет Йозеф Шмитц. «Палочники весят всего около одного грамма. Из-за их сверхлёгкого веса ранее было очень сложно рассчитать, какое усилие оказывает отдельный сегмент ноги».

Даллманн работает в исследовательской группе «Биологическая кибернетика», которая является членом CITEC и возглавляется Фолькером Дюрром с факультета биологии. Даллманн также участвует в дальнейшей разработке шагающего робота Hector, вдохновением для которого послужило движение палочника.

Группа «Биологическая кибернетика» разработала новую методику, которая хорошо работает со сверхлёгким весом палочника. Она с высокой точностью измеряет силы, оказываемые всей ногой на землю, а также с высоким временным разрешением измеряет, как нога движется в пространстве. «Комбинируя оба типа данных, я могу рассчитать, какое усилие оказывает каждый отдельный сустав», — объясняет Даллманн. Таким образом, Даллманн может продемонстрировать, какой сустав приводит движение в действие, а какие суставы просто перенаправляют силу.

Каждая из шести ног палочника приводится в движение в основном тремя суставами. Эти суставы соединены с телом насекомого L-образным образом. Тазобедренный сустав (торако-коксальный сустав), вокруг которого нога движется назад, соединяет ногу с телом. Второй тазобедренный сустав (коксо-трохантеральный сустав) соединяет таз с бедром. Вокруг этого сустава нога движется вниз. Наконец, коленный сустав (феморо-тибиальный сустав) соединяет бедро с голенью и двигает ногу наружу.

Чтобы выяснить, сколько силы генерируют суставы ног палочника, Даллманн заставлял своих насекомых ходить по дорожке со встроенными платформами. Датчики в платформах регистрировали давление, а также боковые силы, оказываемые лапками насекомого. Одновременно Даллманн записывал движения насекомого с помощью системы захвата движения. Система Vicon использует инфракрасные камеры для записи движения 17 маленьких отражателей (маркеров), прикреплённых к экзоскелету палочника. «Когда мы объединили измерения движений насекомого и сил реакции опоры, стало ясно, что движущая сила возникает не от тазобедренного сустава, вокруг которого нога движется назад», — объясняет Даллманн. «Вместо этого движущая сила автоматически возникает из-за сильного нажатия бедра вниз для поддержки тела». До недавнего времени исследователи считали, что нажатие бедра вниз служит только для поддержки тела.

Эти новые данные не только приведут к пересмотру учебников, но и будут протестированы на роботе Hector, основанном на палочнике. «Робот похож на палочника и оснащён упругими суставами ног», — говорит Крис Даллманн. «Теперь мы хотим проверить, какие преимущества даёт наличие одного сустава, контролирующего как высоту тела, так и движение вперёд, как у биологического прототипа».