Хобот слона — пример совершенства эволюции. Мягкий и в то же время ловкий, он поднимает предметы, служит для общения и даже выполняет роль душа. Внутри хобота около 1 000 вибрисс, которые обеспечивают мощное осязание, компенсируя слабое зрение и толстую кожу животного. По структуре эти вибриссы ближе к кошачьим, и инженеры называют их «интеллектуальными», как описано в исследовании, опубликованном сегодня в журнале Science.
Чтобы разобраться, как работают вибриссы хобота, специалисты из Института Макса Планка по интеллектуальным системам, нейроучёные из Гумбольдтского университета Берлина и материаловеды из Штутгартского университета объединили усилия. Их цель — изучить форму вибрисс (геометрию), их пористость и жёсткость материала. Изначально команда ожидала, что вибриссы слона будут напоминать заострённые вибриссы мышей и крыс: круглое поперечное сечение, сплошная структура и примерно одинаковая жёсткость вдоль всей длины.
Исследователи применили микрокомпьютерную томографию (micro-CT) для трёхмерного измерения нескольких вибрисс и обнаружили, что вибриссы слонов существенно отличаются от крысинных и больше похожи на кошачьи. Они более толстые и лезвиеобразные, имеют уплощённое поперечное сечение, полое основание и несколько внутренних длинных каналов — структура напоминает рога овец и копыта лошадей. Пористая конструкция уменьшает массу вибриссы и повышает её ударопрочность — это помогает слонам поедать большие объёмы пищи, не ломая вибриссы: сотни фунтов (то есть десятки килограммов) корма остаются без вреда. Важно, что эти вибриссы не восстанавливаются, поэтому их сохранность критична.
Вибриссы слонов демонстрируют «материальную» интеллектуальность при осязании
Кроме того, вибриссы на морде домашних кошек и внутри хобота слона имеют жёсткие основания, переходящие в мягкие, резиновоподобные кончики — это отличается от равномерно жёстких вибрисс мышей и крыс. Такой переход от жёсткого к мягкому называют функциональным градиентом. Он помогает вибриссам сохраняться и даёт слону точную информацию о прикосновениях. Ученые полагают, что необычный градиент жёсткости у вибрисс хобота позволяет точно определять, в каком месте каждой из тысячи вибрисс происходит контакт.
Проще говоря, градиент жёсткости объясняет, как слон может аккуратно подобрать хрупкий кукурузный чипс, не разломав его, или точно захватить арахис. Команда также сопоставила вибриссы хобота с волосяным покровом на теле слона.
«Волосы на голове, теле и хвосте азиатских слонов жёсткие от основания до кончика, и именно этого мы ожидали, пока не обнаружили неожиданный градиент жёсткости в вибриссах хобота», — сказал Эндрю К. Шульц, соавтор исследования и постдок в Институте Макса Планка по интеллектуальным системам.
Чтобы понять, как изменение жёсткости вдоль вибриссы влияет на осязание, учёные напечатали физическую «палочку-вибриссу» на 3D‑принтере. У неё было жёсткое тёмное основание и мягкий прозрачный кончик — это помогло исследователям прочувствовать, что чувствует хобот через свои вибриссы.
Соавтор исследования и инженер Кэтрин Дж. Кухенбекер носила палочку-вибриссу, проходя по коридорам и аккуратно касаясь ею колонн и перил.
«Я заметила, что при постукивании разными участками палочки ощущения различались: у кончика — мягко и деликатно, у основания — остро и сильно», — вспомнила Кухенбекер. «Мне не приходилось смотреть, чтобы понять, где произошёл контакт; я просто чувствовала это.»
После испытаний палочки исследователи использовали вычислительное моделирование, чтобы оценить, как уникальная геометрия, пористость и градиенты жёсткости влияют на реакцию вибриссы при контакте с предметом. Они обнаружили, что переход от жёсткого основания к мягкому кончику облегчает определение места прикосновения вдоль вибриссы, что позволяет слону реагировать корректно и аккуратно манипулировать хрупкими объектами.
«Это впечатляет. Градиент жёсткости создаёт карту, позволяющую слонам определять, где именно по длине каждой вибриссы произошёл контакт», — сказал Шульц. «Это свойство даёт представление о том, насколько близко или далеко хобот от предмета — и всё это заложено в геометрии, пористости и жёсткости вибриссы. Инженеры называют это природным явлением embodied intelligence (воплощённый интеллект).»
Авторы работы надеются, что эти открытия можно применить в робототехнике и других интеллектуальных системах. Сенсор с искусственным градиентом жёсткости, подобным слоновьему, может обеспечить роботу более точную информацию при сравнительно простой конструкции.
Зачем это важно для вас
Исследование демонстрирует, как природная конструкция материалов решает практические задачи сенсинга — прочность, чувствительность и экономия массы объединены в одной структуре. Для инженеров и разработчиков робототехники это конкретная идея для дизайна тактильных датчиков: вместо сложной электронной начинки можно использовать геометрию и градиенты жёсткости, чтобы получить локализованное восприятие контакта. Для специалистов по материалам и бионике работа показывает, какие внутренние структуры (поры, каналы) усиливают ударопрочность и снижают массу. Для широкой аудитории это объясняет, почему слоны бережно обходятся с хрупкими предметами и почему сохранность вибрисс критична для их выживания и повседневного поведения.
Практический вывод: если вы занимаетесь сенсорикой, дизайном роботов-манипуляторов или проектированием мягкой робототехники, стоит посмотреть на природные решения — они предлагают простые, надёжные и энергоэффективные приёмы для локализации прикосновений и тонкой манипуляции.
