播出蛇的谜团通过3D建模和运动捕获来解决

在团队的运动实验期间，天堂树蛇中途滑行。

跨学科团队发现运动增强了Chrysopelea Paradisi的旋转稳定性。

包含Chrysopelea家族的蛇是能够飞行的唯一已知的斜纹脊椎动物。科学家们知道这一点，但尚未充分解释它。

当天堂树蛇飞到另一个高的分支时，它的身体涟漪与浪花像蓝天的空白垫上的绿色草书。这种运动，空中波动，发生在Chrysopelea家族成员的每次滑行中，这是唯一可知的斜纹脊椎动物能够飞行。科学家们知道这一点，但尚未充分解释它。

20多年来，生物医学工程和力学系教授杰克索格试图衡量和模拟蛇飞行的生物力学，并回答有关他们的问题，就像空中波动的功能作用一样。对于自然物理出版的一项研究，索契组装了跨学科团队，在飞行中开发了Chrysopelea Paradisi的第一个连续，解剖学准确的3D数学模型。

弗吉尼亚科技研究员Jake Socha在运动实验期间将天堂树蛇定位在分支中。

其中包括凯文T. Crofton系的教授，包括航空航天和海洋工程系的教授，以及最近的机械工程博士毕业生和纸张的领先作者，在衡量100多人直播蛇滑行后开发了3D模型。模型因素不频繁出现波浪，其方向，作用于身体的力和批量分布。通过它，研究人员已经运行虚拟实验来调查空中波动。

在一组实验中，要学习为什么波动是每个滑行的一部分，他们模拟了如果不是 - 关闭它会发生什么。当他们的虚拟飞行蛇不能再危险时，它的身体开始翻滚。试验，与模拟滑动搭配保持波浪的波浪，确认球队的假设：空中波状增强了飞行蛇的旋转稳定性。

飞行和运动问题填补索契的实验室。本集团在研究蛇之间的飞行蛇的作品，如何将青蛙从水中从水和扒手飞跃，血液流过昆虫，以及如何在池塘上落地。部分地，对​​苏克萨来说是探讨蛇滑动中的功能的作用很重要，因为它很容易假设它并没有真正有一个。

天堂树蛇是Chrysopelea家族的成员，唯一知道有蹩脚的脊椎动物能够飞行。

“我们知道蛇为各种原因和各种运动背景波动，”Socha说。“这是他们的基础计划。通过计划，我的意思是他们的神经，肌肉计划¶ - 他们接受了特定的指示：现在射击这种肌肉，射击肌肉，射击这种肌肉。这是古老的。它超越了蛇。创造起伏的模式是一个旧的。这是一个蛇进入空中，然后，'我该怎么办？我是一条蛇。我波动。“

但索契认为它有更多的东西。在整个天堂树蛇的飞行中，很多事情立刻发生了，很难用肉眼解开它们。Socha描述了几个步骤，每个步骤都会使用读为有意的步骤。

首先，蛇跳跃，通常通过将其身体弯曲成“j循环”并跳出来。随着它的推出，蛇重新修改了它的形状，它的肌肉会使它变平，而不是尾巴。当空气流过它时，身体变成了产生升力和拖曳力的“变形翼”，因为它在重力下向下加速下来。Socha已经检查了多项研究中的这些空气动力学特性。随着扁平化的下降，因为蛇在其身体上发抖。

在该研究的开始时，索契对他通过比较两种飞机而解释的空中波动的理论：Jumbo Jets与战斗机喷气式飞机进行解释。他说，Jumbo喷射器设计用于稳定性，并在扰乱时开始升级，而战斗机则失控。

那么蛇都会是吗？

“它像一个大的巨型喷气式飞机，还是自然不稳定？”索契说。“这种波动可能是一种处理稳定的方式吗？”

他相信蛇会更像是一个战斗机。

为了调查强调对稳定的重要性，团队列出了开发了一个可以产生模拟滑动的3D数学模型。但首先，他们需要衡量和分析滑动时真正的蛇。

蛇穿上11到17个红外反射标记，这给了团队高分辨率数据，同时仍然让动物自由移动。

2015年，研究人员收集了由天堂树蛇制作的131个现场吊铃的动作捕获数据。他们将多维数据集转变为苔藓艺术中心的四层黑匣子剧院，进入室内滑行竞技场，并使用了23个高速相机，以捕捉蛇的运动，从27英尺上跳起来 - 从橡树上跳起来分支在剪刀升降机上 - 并在下面的人造树上滑动，或者到周围的软泡沫衬垫填充团队在床单中坐在垫上垫上。

摄像机熄灭红外线，因此蛇在11至17点沿着它们的体标记为红外反光带，允许运动捕获系统随时间检测其变化的位置。寻找测量点的数量是研究的关键;在过去的实验中，Socha标志着三点的蛇，然后是五个，但这些数字没有提供足够的信息。从更少的视频点中的数据仅提供了粗略的理解，在所得到的模型中制作不稳定和低保真的波动。

立方体是23相机运动捕捉系统的家。

该团队在11到17分的甜蜜点发现了高分辨率的数据。“通过这个数字，我们可以获得蛇的顺利表示，准确的表示，”Socha说。

研究人员继续通过数字化和再现蛇运动来构建3D模型，同时在测量中折叠它们之前在批量分配和空气动力学上进行测量。一种动态建模专家，Ross通过在航天器运动中的工作中汲取灵感来引导Yeaton在连续模型上的工作。

自2013年以来，他与Socha一起使用了索契，他们以前的模型在零件中对蛇的身体进行了处理 - 首先是三个部分，作为躯干，中间和一端，然后作为一堆链接。“这是第一个是连续的，”罗斯说。“这就像一条丝带。这对这一点来说是最逼真的。“

在虚拟实验中，该模型表明，空中波动不仅使蛇倾向于在滑动期间倾斜，而且它增加了行进的水平和垂直距离。

Ross在Fisbee的旋转中看到了蛇的波动类比：往复运动增加旋转稳定性并导致更好的滑行。他说，他说，蛇能够平衡升力，拖动它的扁平体产生，而不是被他们的挡住，并倒塌，并且它能够进一步走动。

实验还透露于他们以前没有可视化的团队细节。他们看到蛇在起伏时采用两波：大幅度水平波和新发现的，较小幅度的垂直波。波浪同时向上和向上下降，数据显示垂直波的速度是水平的两倍。“这真是太怪异了，”索契说。这些双波仅在一个其他蛇，侧壁器中被发现，但它的波浪以相同的频率。

“真正使这项研究能力强大的是，我们能够大大提高我们对滑行运动学的理解以及我们建模系统的能力，”Yeaton说。“蛇飞行很复杂，让蛇合作经常令人震惊。并且有许多复杂性来使计算模型准确。但是把所有的碎片放在一起是令人满意的。“

“在这些年来，我想我已经看到了一千次歌曲，”Socha说。“每次都能看到它仍然惊人。亲自看到它，它有些不同的东西。它仍然令人震惊。这只动物究竟在做什么？能够回答我曾经是我是一名研究生的问题，许多年后，令人难以置信的令人满意。“

Socha赢得了一些塑造了真实和模拟滑行实验的元素，以强制他的控制。机会带领他到室内滑行竞技场：几年后，苔藓艺术中心开放后，泰纳创造力，艺术和技术研究所的媒体工程师，或ICAT，问他是否曾经考虑过工作立方体。

“多维数据集是什么？”他问。当Upthegrove向他展示了这个空间时，他被地板了。它似乎设计用于索契的实验。

在某些方面，它是。“ICAT的许多项目使用了多维数据集的先进技术，一个工作室不同于世界上的任何其他工作室，揭示通常不能看到的，”ICAT的创始主任Ben Knapp说。“科学家，工程师，艺术家和设计师联合在这里建立，创造和创新新的方式来接近世界的追求挑战。”

在该中心特色的项目之一，“身体，全部，”媒体和视觉艺术家使用空间来动作捕捉舞者的身体运动，以实现沉浸性能。蛇的交易舞者，索契能够充分利用立方体的运动捕捉系统。该团队可以移动相机，优化他们为蛇路径的位置。他们利用了空间顶部的格子，以定位两台指向的相机，提供蛇的顶部视图，他们以前从未能做。

Socha和Ross看到他们的3D模型的潜力继续探索蛇飞行。该团队正在计划户外实验，从而从更长的滑行中收集运动数据。有一天，他们希望越过生物现实的界限。

现在，他们的虚拟飞行蛇总是像真实的动物一样滑下来。但如果他们可以让它移动它，那么它实际上会开始上升吗？真的飞？罗斯说，这种能力可能是机器人蛇的算法，在寻找和救援和灾害监测中具有令人兴奋的应用。

“蛇在通过复杂的环境中挺身而言，”罗斯说。“如果你可以添加这种新的方式，它不仅可以在自然环境中工作，而是在城市环境中工作。”

“在某些方面，弗吉尼亚科技是生物启发工程的集线器，”索契说。“这样的研究不仅可以深入了解自然工作的工作，而是为自然启发的设计奠定了基础。进化是终极创造性的迂腐者，我们很高兴继续发现大自然的解决方案，如此之类的问题，从摇摆圆柱体中提取飞行。“

参考：“波动使在飞行蛇中滑动”通过Isaac J. Yeaton，Shane D. Ross，Grant A. Baumgardner和John J. Socha，2020年6月29日，Nature Physical.doi：
10.1038 / s41567-020-0935-4