新的3d模型展示了天堂树蛇如何在空中飞行

当天堂树蛇从一个高高的树枝飞到另一个树枝时，它的身体就像蓝天中的绿草一样荡漾。这种运动，也就是空中的起伏，在草蛉科唯一会飞的无脊椎动物的每一次滑翔中都有发生。科学家已经知道这一点，但他们还没有完全解释清楚。

弗吉尼亚理工大学生物医学工程和力学系教授杰克索查(Jake Socha)一直试图测量和模拟蛇飞行的生物力学，并回答有关它们的问题，例如空气波动的作用。在《自然物理学》发表的一项研究中，索查成立了一个跨学科团队，开发了飞行中的金蛇菊的第一个连续的、解剖学上精确的三维数学模型。

这个小组的成员包括凯文t克罗夫特(Kevin T. Croft)的航空航天和海洋工程教授谢恩罗斯(Shane Ross)，以及最近获得机械工程博士学位和论文的主要作者艾萨克亚顿(Isaac Yaton)。在测量了100多个模型后，他们开发了一个三维模型。活蛇滑行。该模型考虑了波浪的频率、方向、力和质量分布。有了它，研究人员进行虚拟实验来研究空气中的起伏。

在一组这样的实验中，为了理解为什么波动是每辆出租车的一部分，他们模拟了如果关闭波动会发生什么。当他们的虚拟飞蛇停止在空中漂浮时，它的身体开始下降。这个实验，结合模拟滑行，使滑行波不断向前运动，印证了团队提出的空气波动增强飞蛇旋转稳定性的假设。

而飞行问题遍布索查的实验室。这个小组致力于研究飞蛇，青蛙如何跃出水面和跃上水面，血液如何流过昆虫，鸭子如何落在池塘上。在某种程度上，索查探索波浪在蛇形滑翔中的功能性是很重要的，因为很容易假设它不是。

索查说：“我们知道蛇会因为各种原因在各种运动环境中波动。”“这是他们的基本程序。我是说，他们的神经肌肉项目？-他们正在接受特定的指令：现在发射这块肌肉，发射那块肌肉，然后发射这块肌肉。很老了。它超越了蛇。这种创作方式的波动是一种古老的波动。蛇大概会飞到空中，然后它会说：“我该怎么办？我是一条蛇。我在波动。'

但是索查认为还有更多。天堂树蛇整个飞行过程中，一次发生了很多事情，肉眼很难解决。索查描述了每次滑行都会发生的几个步骤——。这些步骤被认为是有意的。

第一，蛇会跳，一般是把身体弯成“J形圈”，然后跳出来。当这条蛇被推出来时，它会重新排列自己的形状，它的肌肉会移动以展平除尾巴以外的身体。气流经过时会变成“变形的翅膀”，在重力作用下向下加速，从而产生升力和阻力。索查在几项研究中审查了这些空气动力学特征。随着蛇变平，它会向身体发出波浪。

在研究之初，索查有一个关于空气波动的理论，他通过对比两种飞机来解释：巨型喷气式飞机和喷气式飞机。他说大型喷气式飞机是为稳定性而设计的。一旦受到干扰，他们就会恢复水平，士兵就会失去控制。

是哪条蛇？

是像大型喷气式飞机，还是天生不稳定？索查说。作为一种稳定的方式，这种波动可能吗？'

他认为这条蛇更像一个斗士。

为了测试波动对稳定性的重要性，该团队着手开发一个可以生成模拟出租车的三维数学模型。但首先，他们需要测量和分析一条真正的蛇在滑行时会做什么。

2015年，研究人员收集了天堂树蛇的131个滑翔动作捕捉数据。他们将莫斯艺术中心的四层黑盒子剧院Cube变成了室内滑动舞台，并使用其23个高速摄像机捕捉到了蛇从27英尺高的橡树上跳下时的动作。在剪式电梯顶部的树枝上滑行，在下面的人造树上滑行，或者在周围柔软的泡沫垫上滑行。队员们整理了床单以缓冲着陆。

摄像头发射红外光，所以在蛇身上11到17个点用红外反射带标记蛇，这样动作捕捉系统就可以检测到蛇在一段时间内的位置变化。找到测量点的数量是这项研究的关键。在过去的实验中，索查将蛇标记为三个点，然后是五个点，但这些数字无法提供足够的信息。来自较少视频点的数据仅提供了粗略的理解，这导致了结果模型中的波动和低保真度波动。

研究小组在11点至17点之间找到了一个最佳点，可以提供高分辨率的数据。索查说：“有了这个数字，我们可以得到蛇的平滑表示，并得到准确的表示。”

然后，研究人员通过数字化和再现蛇的运动，并折叠之前收集的关于质量分布和空气动力学的测量数据，建立了一个三维模型。Ross是动态建模方面的专家。他从航天器运动的工作中获得灵感，并指导Yeaton在连续模型方面的工作。

从2013年开始，他就和索查合作制作飞蛇模型，而之前的模型用的是蛇模型。

正文分为几个部分，首先是三个部分，分别是主干、中段和末段，然后是一堆环节。罗斯说，“这是第一个连续的过程。”“它像一条缎带。到目前为止，这是最现实的。”

在虚拟实验中，该模型表明，空气中的起伏不仅可以防止蛇在滑翔时翻倒，还可以增加蛇的水平和垂直距离。

罗斯看到了snake在飞盘旋转中起伏的类比：往复运动增加了旋转的稳定性，产生了更好的滑动。他说，通过起伏，蛇可以平衡其扁平身体产生的升力和阻力，而不是被它们压倒和推翻，它可以走得更远。

该实验还向团队揭示了他们之前无法想象的细节。他们看到蛇在上升和下降时使用了两种波：一种振幅较大的水平波和一种新发现的振幅较小的垂直波。同时，波会左右移动，数据显示垂直波的传播速度是水平波的两倍。索查说，“这真的很奇怪。”这些双波只在另一个

条蛇中被发现，这是一条响尾蛇，但其波以相同的频率传播。

Yeaton说：“真正使这项研究变得强大的是，我们能够极大地提高我们对滑行运动学的理解以及对系统进行建模的能力。”“蛇飞行很复杂，要让蛇合作通常很棘手。要使计算模型准确，有很多复杂的方法。但是将所有部分放在一起是令人满意的。”

索查说：“这些年来，我认为我已经看到了近一千次下滑。”“每次看到它仍然令人惊奇。亲眼看到它，有些不同。这仍然令人震惊。这只动物到底在做什么?能够回答我从研究生时代就遇到的问题，许多很多年后，这令人难以置信。”

索查归功于一些因素，这些因素影响了真实的和模拟的滑行实验，从而迫使他无法控制。机会带他去了室内滑翔机竞技场：在Moss艺术中心开业几年后，创意，艺术与技术学院(ICAT)的媒体工程师Tanner Upthegrove问他是否曾考虑过在多维数据集。

“什么是立方体?”他问。当Upthegrove向他展示空间时，他被铺了地板。它似乎是为Socha的实验而设计的。

在某些方面，确实如此。ICAT的创办人Ben Knapp表示：“ ICAT的许多项目都使用了Cube的先进技术，该工作室不同于世界上任何一家录音室，都可以揭示通常看不到的东西。”“科学家，工程师，艺术家和设计师在这里共同建立，创造和创新应对世界上最严峻挑战的新方法。”

在该中心的特色项目之一，“全身，充满时间”中，媒体和视觉艺术家使用该空间来动作捕捉舞者的身体动作，从而获得身临其境的表演。用蛇代替舞者，Socha可以充分利用Cube的动作捕捉系统。该团队可以移动摄像机，以优化其在蛇行道上的位置。他们利用空间顶部的网格将两个摄像头指向下方，从而提供了蛇的俯视图，这是他们以前无法做到的。

索查(Socha)和罗斯(Ross)认为他们的3-D模型有继续探索蛇飞行的潜力。该小组正在计划进行户外实验，以从更长的滑行中收集运动数据。有一天，他们希望跨越生物现实的边界。

现在，他们的虚拟飞蛇总是像真正的动物一样滑下。但是，如果他们能够移动它，使其实际上开始上升，该怎么办?真的要飞吗?罗斯说，这种能力有可能被内置在机器人蛇的算法中，该算法在搜索，救援和灾难监测中具有令人兴奋的应用。

罗斯说：“蛇非常擅长穿越复杂的环境。”“如果您可以添加这种新模式，那么它不仅可以在自然环境中工作，而且可以在城市环境中工作。”

Socha说：“在某些方面，弗吉尼亚理工大学是生物启发工程的枢纽。”“像这样的研究不仅可以洞悉自然界如何运作，而且可以为受自然界启发的设计奠定基础。进化论是最终的创造性修补匠，我们很高兴能继续发现自然界对诸如此类的问题的解决方案，从而促进飞行从一个摆动的圆柱中。”