Snakeskin的物理揭示了Sidewinder Snakes专业的侧壁运动

Sidewinder Rattlesnake（Crotalus Cerastes）在美国西南部和墨西哥北部的沙漠中找到。

大多数蛇通过将身体弯曲成S形和向前头流动而从A到B.然而，一些物种 - 在北美，非洲和中东的沙漠中发现 - 有一种臭臭的方式。被称为“Sidewinders”，这些蛇带着他们的中间部分而不是头部，侧身侧面散落。

科学家们仔细看了看侧壁的皮肤，看看它是否在他们独特的运动方法中发挥着作用。他们发现Sidewinders'肚子镶嵌着微小的坑，很少有，如果有的话，如果有的话，在其他蛇的肚子上发现的小尖峰。

国家科幻议院学院的论点，该发现包括将这些独特结构的数学模型与功能联系起来。

“侧壁的专业运动在世界不同地区的不同物种中独立进化，这表明侧壁是一个很好的解决问题，”埃默里大学物理学助理教授詹妮弗里耶尔说，杰伦弗里耶尔说，杰伦默·莱耶斯说，杰伦默尔·莱耶斯（Jennifer Rieser）和该研究的第一作者。“了解如何以及为什么这种融合演化工作的例子可能允许我们为自己的需求进行调整，例如建立可以在挑战环境中移动的机器人。”

本文的共同作者包括Joseph Mendelson，爬虫学家和动物园亚特兰大的研究总监;进化生物学家Jessica Tingle（加州大学，滨江）;和物理学家Daniel Goldman（佐治亚州科技）和联合第一作者Tai-de Li（纽约市）。

墨西哥山脉头响尾蛇（Crotalus polystictus）通过向前滑动。从研究中，上面的微微照片，其腹部皮肤揭示了眼睛通常看不见的尖峰。显微照片图像显示表面20微米宽，或者是人头发的宽度的约三分之一。

Rieser的研究兴趣将柔软物质的物理融合在一起，如沙子和有机体生物学。她研究了动物的表面如何与他们的环境中的可流动材料相互作用。她的研究的见解可能导致人类技术的改进。

蛇和其他倾斜的机器人对Rieser特别有趣。“尽管蛇有一个相对简单的身体计划，但他们能够成功地导航各种栖息地，”她说。她补充说，他们的长时间灵活的身体正在鼓励“蛇”机器人的工作，为来自外科手术到折叠建筑物中的搜查和救援任务的一切。

在前面的论文中，Rieser和同事发现，设计机器人以蛇形方式移动，可以帮助他们避免在他们路径中与物体碰撞时的灾难。

Sidewinders提供了她有机会进一步挖掘大自然的进化方式，以便穿过松散的沙子和其他柔软物质。

撒哈拉砂毒蛇（Cerastes Vipera），侧壁的皮肤的显微照片，揭示了它的腹部搭配坑而不是尖峰。图像显示宽约20微米的表面。

大多数蛇都倾向于使他们的腹部很大程度上与地面接触，因为它们向前滑动，弯曲他们的尸体到尾部。然而，侧壁抬起地面上部，将其移位在侧向方向上。

以前的研究假设侧壁可能允许蛇在砂岩上移动更好。“思想是，侧壁在移动时散开了他们的身体赋予地面的力量，这样他们就不会因为他们跨越它而导致沙丘到雪崩，”rieser解释道。

对于目前的论文，Rieser和她的同事调查了侧壁的皮肤也可能在他们独特的运动风格中发挥作用。

他们专注于三种侧壁，所有这些毒蛇，在Zoos住宿中：Sidewinder Rattles（Crotalus Cerastes），在美国和墨西哥北部的沙漠中发现;和撒哈拉角蛇蝎（斯科斯斯特斯科斯特）和撒哈拉砂毒蛇（锡斯塔·沃尔氏酱），既来自北非沙漠。

从侧壁的皮下脱落并用原子力显微镜检查扫描，一种技术在原子水平上提供分辨率，大部分纳米的级分。相比之下，它们还扫描了蛇皮从非侧壁脱落。

如预期的那样，显微镜显微镜透露在非侧壁的皮肤上的微小，头部到尾部指向尖刺。以前的研究已经确定了这些微穗上的各种其他晃动蛇。

然而，目前的研究发现，侧壁的皮肤是不同的。两名非洲侧壁在肚子上有微坑，没有尖峰。Sidewinder Rattlesnake的皮肤也镶嵌着微小的坑，以及一些小，尖峰 - 虽然穗状花序远远少于滑蛇的尖刺。

研究人员创建了一种数学模型，以测试这些不同的结构如何影响与表面的摩擦交互。该模型显示头部到尾翼指向尖峰增强了前向波状的速度和距离，但对侧壁有害。

“你可以像灯芯绒材料上的山脊一样思考它，”Rieser说。“当你在与脊相同的方向沿灯芯用灯芯跑到时，摩擦力少于你在山脊上滑动时的摩擦力。”

该模型还表明，圆坑的均匀，非定向结构增强了侧壁，但与向前波动的尖峰并不高效。

该研究为收敛演变的不同时间点提供了快照 - 当不同物种独立地发展类似的特征时，必须适应类似的环境。

Rieser注意到美国沙漠的沙漠比非洲的年轻人更年轻。北美的莫哈韦累计沙子约有20,000年前，而在撒哈拉地区出现在撒哈拉地区至少七百万年前。

“这可能解释为什么侧壁响尾蛇仍然留下了几个微穗左侧，”她说。“它没有尽可能多的时间让沙质环境作为两个非洲物种，这已经失去了他们所有的尖刺。”

Rieser补充说，工程师可能还希望适应其机器人设计。“取决于您需要一个机器人的曲面才能继续前进，”她说：“您可能希望考虑设计其表面以具有特定的纹理来增强其运动。”

参考：Jennifer M. Rieser，Tai-De Li，Jessica L. Tingle，Daniel I. Goldman和Joseph R.Mendelson III的“收敛演化的微观皮肤特征对蛇的运动的功能后果”，2021年2月1日，美国国家科学院学报科学.DOI：
10.1073 / pnas.2018264118