生きている掃除機：物体を引き付けている間の象のトランクのダイナミクス

自然界には、珍しい動き方、見た目、美食の好み、行動などが異なる生き物がたくさんいます。もちろん、彼ら自身にとって珍しいことは何もありません。なぜなら、これはすべて、絶えず変化する環境条件での種の生存を目的とした数十万年の進化の結果だからです。動物に必要なものは、私たちにとって、医学からロボット工学まで、さまざまな産業で使用される開発における研究とインスピレーションの対象になります。そこで、ジョージア工科大学（米国）の科学者たちは、草食性の巨人が食べ物を飲んだり集めたりできるように、象の体幹の詳細な分析を行うことにしました。象が飲むとトランクはどうなりますか、小さな物体を拾うとトランクはどのような力を使いますか、得られたデータはどこに適用できますか？これらの質問に対する答えは、科学者のレポートにあります。行く。

研究の基礎

象はトランクの最大の所有者ですが、彼らだけではありません。蝶、条虫、ヒル、ナンキンムシ、バク、ゾウアザラシなど。-それらはすべて何らかの形のトランクを持っています。さまざまな場合において、体幹は触覚、栄養、さらには保護の器官として機能します。



象にとって、鼻と上唇からなる幹は一種の「スイスナイフ」です。彼らはその助けを借りて、水を集め（次に口に注がれます）、小さな物を拾い、果物を摘み取り、水域を横断しながら呼吸し、親戚とのコミュニケーションに使用します。





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アフリカゾウ（ Loxodontaafricana））毎日200 kg以上の植生を消費し、1日約18時間かけて草、葉、果物、樹皮を収穫します（ 1a）。



最も驚くべきことは、象の体幹の重さは約100 kgですが、象は床から小さくて壊れやすい物体を損傷することなく簡単に拾うことができるということです。このような正確さの秘訣は、トランクの柔軟性と機動性だけでなく、トランクが吸い込む空気にもあります。科学者たちは、動物の鼻孔と肺が象が体幹を操作する方法に重要な役割を果たしていることを示唆しています。水の吸収中に、筋肉の収縮によって特定の変化も起こります。これにより、象は一度により多くの水を受け取ることができます。



象が環境内のオブジェクトを操作するための追加のツールとして水と空気を使用するという事実は、1871年にチャールズダーウィンによって説明されました。彼は、象が体幹を吹き飛ばすことで、物体を手の届かないところに移動できることに気づきました。象は、オブジェクトまでの距離に基づいて打撃の長さを調整できます。また、意図的に壁に空気の噴流を向けることもできます。これにより、オブジェクトがオブジェクトに近づきます。



科学者たちは、流体の流れで物体を操作する動物は通常、陸上ではなく水中に住んでいると述べています。印象的な例は、貯水池の表面の上の昆虫に水の流れを撃つことができるトキソテス属（噴霧器）からの魚 です。





狩りに飛び散る。



イカやタコも水を撃ちますが、狩猟用ではなく、移動用です。魚の多くの種は、彼らが彼らの口に食物を吸い込む「吸引給餌」と呼ばれるものを使用します。



科学者たちは、陸生生物の間でのこの行動の独自性を考えると、ゾウとその幹は研究が必要だと言います。そのため、いくつかのテストが実施されました。その間、科学者は、餌やり、水分摂取、小さな壊れやすい物体の操作中に象の体幹の形態の変化を記録しました。

研究成果

テスト中（14回の実行）、実験用の象には、さまざまなサイズの立方体にカットされたルタバガが与えられました。トランクグリップは、サイコロのサイズと数によって異なります（ 1b）。象に10個の小さな立方体（40 mm未満）が与えられたとき、彼は吸引せずに体幹の粘り強い端を使用しました。 10個を超える小さな立方体があった場合、象は吸収を好みました（ 1c）。科学者がこのプロセスに伴う音を掃除機が機能している音として特徴づけたのはおかしいです。





小さい（16 mm）および大きい（32 mm）ルタバガキューブを収集する方法。最初のケースでは、吸引があります（音に注意してください）。第二に、立方体が大きすぎるので、そこにはありません。



不思議なことに、穀物のテスト中、吸引は使用されませんでした。代わりに、象は一握りでできるだけ多くの穀物をつかもうとしました。穀物が幹に詰まるのを防ぐための吸引がなかった可能性があります。



その後、大きな平らな物体との相互作用を評価するために、象の食事はチップ（トルティーヤ）で続けられました。チップの厚さは500ミクロン以下であるため、平らな面から持ち上げることは困難です（床反力計を使用）チップを壊すには、11±2 N（ニュートン）の力を加える必要があります。これは、象の胴体の重量の約1％です。



最初の接触後、チップを持ち上げるプロセスは3.0±0.2秒かかりました。プロセス自体は、3つの段階（1dと 1e）に分けることができ ます。オブジェクトに近づく、オブジェクトを検索する、オブジェクトを持ち上げる。





空気吸引によるチップの引き付け（ビデオは5倍遅くなりました）。



最初、象はチップに直接触れず、4±1 Nの力を加えながら、床反力計の外縁に触れました。探索フェーズ中に、象は5 Nの力を加えてチップに近づきました。チップを壊すのに必要な強度の50％。



上昇段階では、2つの異なる動作が観察されました。最初のケースでは、象はチップから一定の距離で吸引を適用しました（ 1d）。 2番目に、彼は吸引を適用し、トランクをチップに直接押し付けました（ 1e）。いずれにせよ、象がほとんどの場合、チップを損傷することなく持ち上げたのも不思議です。



象の視覚的観察は楽しいものですが、提供するデータが少なすぎます。したがって、科学者はさらに、水を使用したテスト中に生成された吸引圧力を測定しました。幹に吸い込まれた流れをよりよく視覚化するために、チアシードを水に加えました。鼻孔の中心にあるチアシードが移動する距離が長いことから明らかなように、流れのプロファイルは放物線状に見えます（ 2a）。





画像＃2



グラフ 2cは、リザーバー内の液体が減少するにつれて測定された、時間の経過に伴うトランク内の液体の流れの経過を示しています。 3つの試験の実行中、象は体積流量Qに対応する1.5±0.1秒、水に吸い込ま _W= 3.7±0.3l / s。そしてここで科学者たちは再び奇妙な比較をします（アメリカ人にとってこれはごく普通の習慣です）：そのような体積流量は20回のトイレの水洗に相当します（そのような比較が流れの強さを評価または視覚化するのにどのように役立つかわかりませんがはい）。





吸水実験。



トランク内の液体の総量は5.5±0.41リットルでした。3リットルの吸引後、約0.5秒の休止があり、その時の流量は1±1.2リットル/秒でした。その後、吸引サイクルの最後の0.5秒間、流量は再び4.5±2.1 l / sに増加しました。同様のダイナミクスがすべての観測で観察されました。科学者たちは、水が体幹の後括約筋に入るのを防ぐために、吸収中の短い休憩が必要であると示唆しています。



さらに分析するために、トランクの内部容積（長さ約1.9 m）を確立する必要がありました。このために、体幹の断面の測定からのデータが使用されました。体幹腔の半径は、遠位端で1 cm、近位端で3cmです。この場合のトランクの推定容量は5.2リットルで、これは引き込まれた水の量（5.5リットル）とほぼ同じです。象はどうやって自分の体幹よりも多くの水を引き込むことができますか？以前の研究では、鼻孔から伸びる筋肉構造の存在が体幹の拡張を可能にしていることが示されています。



さらに、科学者は超音波検査を実施しました（ 3a）この構造の拡張の限界を見つけるために。体幹壁の超音波測定は、自然呼吸、水分摂取量、ふすま水分摂取量の3つの条件下で実施されました。 画像3cおよび 3dの





№3画像



で は、象がふすまから水を引いたときに放射状の筋肉が収縮したことがわかります。





ふすま吸収中の象の鼻壁の超音波検査。赤い矢印は、液体と鼻壁の間の境界を示しています。



体幹と鼻孔の初期半径はそれぞれ7.5cmと1.5cmです。その結果、調査した体幹壁の厚さは6cmでした。水を吸い込むと壁の厚さは5.7cmに減少し、ふすまを含む水を吸収すると最大5.6cm



になりました。空気、水、およびふすまを含む水の吸収は、それぞれ1.5±0.2 cm、1.8±0.2 cm、および1.9±0.2 cmでした（ 3e）。したがって、水とふすまを含む水の吸収中の半径の値は、それぞれ18％と28％増加しました。



トランクの全長に沿って半径が増加すると仮定すると、トランクの内部体積は、水で40％、ふすま水で64％増加します。



ただし、すべてのシステムには限界があります。科学者は、吸引給餌の有効距離を計算するための数学モデルを作成しました（ 2d）。このモデルにより、水を使った実験で使用される最大圧力と、象が吸引を使用して持ち上げることができるチップからの最大距離を確立することができました。



水を用いた実験では、平均水流速（U _Wトランク内）は鼻孔の断面積で割った流量である：Q _、W /（2πa ²）〜2.7 m / s、ここでa = 2.1cmは鼻孔の半径です。最大圧力は、水がトランク内で最大速度と高さに達したときの吸引サイクルの終わりに観察されました。鼻孔内の流れのレイノルズ数*を計算することにより 、流体に乱流が発生しているかどうかを確認できます。

レイノルズ数* -粘性のある液体および気体における粘性摩擦力に対する慣性力の比率。

パイプを通して水を輸送するためのレイノルズ数はREW = 8.1 X 10 ⁴、および空気のためのレイノルズ数は4.2×10である ⁶。これらのレイノルズ数が4000より大きい場合、ベルヌーイの法則*を近似に使用できます 。その結果、加えられた圧力は-20kPaであることがわかった。

ベルヌーイの法則* -流体圧力が流線に沿って増加すると、流量は減少し、逆もまた同様です。

チップの吸引中に同じ圧力が加えられると、対気速度は150 m / sになります。計算はまた、象が効果的に物体を引き付けることができる距離が鼻孔のサイズに線形に依存することを示しています。したがって、チップを使った実験よりも、質量が小さい、または面積が大きい物体を効率的に吸収し、距離を離すことができます。



実験では、チップの表面積は113 cm ²、質量は10 gでした。重力加速度（計算では9.81 m / s ²）と計算された圧力（-20 kPa）、科学者は最大有効吸引高さが4.6cmであることを発見しました。



吸引の効果に影響を与える最も重要な側面は、象の肺の圧力です。ゾウは、特殊な呼吸器系により、肺に高圧を発生させる可能性があります。コラーゲン線維の拡張可能なネットワークが胸膜腔を満たし、胸壁に対する肺の動きを制限せずに、肺を胸壁に自由に接続します（ なぜ象には胸膜腔がないのですか？、John B. West、2002年）。



このような高速で気流を発生させるのは、この解剖学的特徴です。さらに、 ゾウの胸腔内筋膜*は、人間、ウサギ、ラット、マウスの8倍の厚さであり、肺にさらなる圧力をかける可能性があります。

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結論として、科学者たちは、得られたデータに基づいて、他の動物が象のように吸引によって物体を引き付けることができるかどうかを判断することを決定しました。最初に、体重と鼻孔の半径の比率（4a）が推定されました 。これは、生き物のサイズとともに増加します（計算で考慮されたものから）。



ゾウは、研究されたすべての哺乳類の中で最も広い鼻孔を持っており、鼻孔の半径は先端で10 mm、それから90cmの距離で30mmです。科学者たちは象を報告点として使用して、理論上、哺乳類が吸引によって物体を引き付けることができる最大距離をグラフ化しました（ 4b）。たとえば、牛の場合、この距離は1 cmであり、豚とバクの場合は0.65cmです。



そしてもちろん、最もおかしな部分。人は空気を吸い込むことによって物体を引き付けることもできますが、それらは一枚の紙よりも厚くはなく、チップで成功するトリックの最大距離は0.4mmを超えることはできません。チップとノーズの間の空気の変動は、トリックを不可能にします。



研究のニュアンスについてのより詳細な知識については、科学者のレポートを調べることをお勧めします 。

エピローグ

科学を愛することができるもののために、それはその無限のためです。人は、神秘的な空間や海の深さから象の胴体まで、あらゆるものを探索するための非常に好奇心を持って準備ができています。



この研究では、科学者は、象が吸引を使用してどのように正確に物体を引き付けることができるかを詳細に説明する実験と計算を行いました。一方で、これは非常に単純なプロセスのようですが、非標準の肺から体幹の柔軟な筋肉構造まで、その実装には多くの要素が必要です。



象の場合、その胴体はマニピュレーター、環境センサー、およびサンプリングツールの両方です。象の嗅覚は私たちよりもはるかに優れており、体幹の柔軟性と可動性により、最も壊れやすい物体でも損傷することなく相互作用することができます。



象は驚くべき生き物であり、一見奇妙に見える進化の癖でさえ、意味、論理、そして実用的な応用の例と簡単に言えます。



ご清聴ありがとうございました。好奇心を持ち、素晴らしい週末をお過ごしください。:)



PSこの資料を読んだ後、空気を吸い込んで自宅でチップを引き込もうとしないでください。研究の著者がダンボを描写しようとするときにあなたが窒息することを望んでいた可能性は低いです。

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