ท่อนบนของงวงช้างยืดจนน่าตกใจ
ในวันที่อากาศแจ่มใสของจอร์เจียที่สวนสัตว์แอตแลนตาในปี 2020 ช้างป่าแอฟริกันของเคลลี่ได้เอื้อมมือไปหาของว่าง การกระทำของเธอเผยให้เห็นบางสิ่งที่แปลก ผิวหนังส่วนบนของลำตัวยืดออกมากกว่าผิวหนังที่อยู่ด้านล่าง กล้องความเร็วสูงจับภาพวิดีโอนี้ได้
“แต่นั่นไม่สมเหตุสมผลเลย” แอนดรูว์ ชูลซ์กล่าว เขาเป็นวิศวกรเครื่องกลที่ Georgia Tech ในแอตแลนตา (และนี่ไม่ใช่ครั้งแรกที่เขาค้นพบที่น่าตกใจเกี่ยวกับงวง เช่น วิธีที่ช้างใช้ในการเคลื่อนย้ายอากาศ ของเหลว และวัตถุที่เป็นของแข็ง) นักวิทยาศาสตร์สันนิษฐานว่าผิวหนังบนงวงช้างส่วนใหญ่จะยืดออกในลักษณะเดียวกันทั้งหมด นักวิทยาศาสตร์สันนิษฐานว่าผิวหนังบนงวงช้างส่วนใหญ่จะยืดออกเหมือนกันหมด Schulz ส่งข้อมูลของ Kelly และช้างตัวผู้ Msholo ไปให้เพื่อนร่วมงานเพื่อขอความเห็นที่สอง “ใช่ ข้อมูลของคุณผิด” เขาจำได้ว่าพวกเขาพูด
แต่การทดลองติดตามผลจะแสดงเป็นอย่างอื่น การศึกษาเหล่านี้เกี่ยวข้องกับการยืดชิ้นหนังช้างในห้องแล็บ และพวกเขาก็ได้แสดงปรากฏการณ์ประหลาดเช่นเดียวกัน ผิวด้านบนและด้านล่างของลำต้นแตกต่างกันโดยสิ้นเชิง “พูดคุยเกี่ยวกับวันที่ดีในฐานะนักวิทยาศาสตร์!” ชูลซ์กล่าว “นั่นคือตอนที่เราเริ่มเชื่อจริงๆ ว่าสิ่งที่เราพูดนั้นเป็นความจริง”
ผิวหนังส่วนบนที่แข็งแรงบนงวงของช้างจะย่นเป็นรอยยับเหมือนผิวหนังที่พับของลูกสุนัขชาร์เป่ย อย่างไรก็ตาม ผิวหนังด้านล่างมีรอยย่นเล็กน้อยเท่านั้น ตอนนี้ชูลซ์และเพื่อนร่วมงานของเขาแสดงให้เห็นว่าผิวหนังส่วนบนที่มัดเป็นมัดนั้นยืดได้กว่าผิวหนังส่วนล่างประมาณ 15 เปอร์เซ็นต์
ทีมงานได้แบ่งปันสิ่งที่ค้นพบในวันที่ 2 สิงหาคมใน Proceedings of the National Academy of Sciences
Schulz กล่าว ในขณะเดียวกัน หนังที่ยืดน้อยกว่าด้านล่างช่วยให้สัตว์จับได้ดี
ทีมงานยังสังเกตด้วยว่าลำตัวยื่นออกมาเหมือนกล้องโทรทรรศน์ ส่วนปลายจะยื่นออกไปก่อน ตามด้วยส่วนที่ใกล้กับหัวช้าง และที่ปลายลำตัว ผิวหนังทำหน้าที่ตึงส่วนใหญ่ ไม่ใช่กล้ามเนื้อ อย่างน้อยนั่นคือสิ่งที่รุ่นคอมพิวเตอร์แนะนำ
นักวิทยาศาสตร์ได้ศึกษากล้ามเนื้อในงวงช้างมาอย่างยาวนาน ผิวหนังบนลำต้นเหล่านั้นส่วนใหญ่ถูกมองข้าม Lucia Beccai กล่าว นักพัฒนาซอฟต์โรบ็อตคนนี้ทำงานที่สถาบันเทคโนโลยีแห่งอิตาลีในเจนัว เธอไม่ได้มีส่วนร่วมในการวิจัยช้าง แต่เธอสนใจที่จะใช้ความรู้เกี่ยวกับสัตว์เพื่อสร้างหุ่นยนต์ที่ดีขึ้น
ผิวหนังเทียมมักถูกจำลองตามผิวหนังของมนุษย์ Beccai กล่าว นักวิจัยสามารถเรียนรู้ได้มากมายจากสัตว์อื่น การทำความเข้าใจว่าการพับและรอยเหี่ยวย่นของ Kelly และ Msholo เป็น “ข้อมูลที่แน่นอนที่จะปรับปรุงการออกแบบหุ่นยนต์ที่อ่อนนุ่ม” เธอกล่าว
วิศวกรประหลาดใจกับพลังงวงช้าง
ช้างแอฟริกันวัย 34 ปีที่สวนสัตว์แอตแลนตาในจอร์เจียเพิ่งสอนวิศวกรเกี่ยวกับวิธีเคลื่อนย้ายน้ำ ประการหนึ่ง เธอแสดงให้เห็นว่าลำต้นของเธอไม่ได้ทำงานเหมือนฟางธรรมดา ในการดูดน้ำ เธอขยายลำต้นนั้น — ขยายออก วิธีนี้ช่วยลดจำนวนการสูดน้ำมูกที่เธอต้องใช้ในการดึงน้ำดื่มหรือความชื้นที่เธอใช้ในการระบายตัวเอง
ช้างเป็นสัตว์บกเพียงชนิดเดียวที่มีงวงยาวและไม่มีกระดูก กะบังขยายความยาวทั้งหมด นี้จะสร้างสองรูจมูก แต่การที่ช้างใช้งวงที่มีกล้ามเป็นอาหารนั้นเป็นเรื่องลึกลับได้อย่างไร ดังนั้นวิศวกรเครื่องกลที่สถาบันเทคโนโลยีจอร์เจียในแอตแลนต้าจึงตัดสินใจลองดู
แอนดรูว์ ชูลซ์ เป็นผู้นำกลุ่ม นอกจากสัตว์น้ำแล้ว เขายังตั้งข้อสังเกตอีกว่า สัตว์บางชนิดนอกจากช้างจะดูดอาหารโดยใช้สิ่งอื่นที่ไม่ใช่พลังปอด ทีมของเขาใช้อัลตราซาวนด์ตรวจสอบการทำงานของลำตัวภายในนั้น ในการทดลองบางอย่าง ช้างพ่นน้ำออกมาในปริมาณที่ทราบ บางครั้งน้ำนั้นก็ผสมกับรำ
ภาพอัลตราซาวนด์แสดงให้เห็นว่าปริมาตรที่มีอยู่ของรูจมูกแต่ละข้างสามารถพองตัวได้ในขณะที่มันพ่นน้ำลายในของเหลว (แม้ว่าช้างจะใช้พื้นที่ส่วนนี้เพียงเล็กน้อยเท่านั้น) ความจุเริ่มต้นอยู่ที่ประมาณ 5 ลิตร (1.3 แกลลอน) แต่อาจมีขนาดใหญ่ขึ้นกว่า 60 เปอร์เซ็นต์ น้ำก็ไหลผ่านลำต้นอย่างรวดเร็วเช่นกัน โดยอยู่ที่ 3.7 ลิตร (1 แกลลอน) ต่อวินาที เท่ากับฉีด 24 หัวฝักบัวในคราวเดียว
ในการทดลองอื่นๆ ผู้ดูแลสวนสัตว์ได้มอบรูตาบากาก้อนเล็กๆ ให้กับช้าง เมื่อให้ลูกบาศก์เพียงไม่กี่ก้อน ช้างก็หยิบมันขึ้นมาด้วยปลายงวงของมัน แต่เมื่อเสนอก้อนก้อน เธอเปลี่ยนเป็นโหมดสุญญากาศ ที่นี่รูจมูกของเธอไม่ขยาย เธอหายใจเข้าลึก ๆ เพื่อดูดอาหารแทน
จากปริมาณและอัตราของน้ำที่ช้างดูดเข้าไป ทีมงานของ Schultz ประมาณการว่ากระแสลมผ่านรูจมูกแคบของเธอในบางครั้งอาจเกิน 150 เมตรต่อวินาที (335 ไมล์ต่อชั่วโมง) เร็วกว่าที่มนุษย์จามถึง 30 เท่า
Schultz และทีมของเขาแบ่งปันสิ่งที่ค้นพบทางออนไลน์ใน June Journal of the Royal Society Interface
วิลเลียม เคียร์กล่าว ยกเว้นรูจมูกด้านในงวงช้างคล้ายกับหนวดปลาหมึกหรือลิ้นของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม เขาเป็นนักชีวกลศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยนอร์ธแคโรไลนาที่แชปเพิลฮิลล์ กล้ามเนื้อที่สลับซับซ้อนของลำตัวและไม่มีข้อต่อมารวมกันเพื่อให้การเคลื่อนไหวที่หลากหลายและแม่นยำ เขากล่าว
“วิธีที่ช้างใช้งวงของมันช่างน่าทึ่งมาก” จอห์น ฮัทชินสันเห็นด้วย เขาเองก็เป็นนักชีวกลศาสตร์เช่นกัน เขาทำงานที่ Royal Veterinary College ใน Hatfield ประเทศอังกฤษ วิศวกรได้ออกแบบอุปกรณ์หุ่นยนต์จากงวงช้างแล้ว การค้นพบใหม่โดยกลุ่ม Georgia Tech อาจให้การออกแบบที่ดุร้ายยิ่งขึ้นเขากล่าว “คุณไม่มีทางรู้ว่าแรงบันดาลใจทางชีวภาพจะนำไปสู่อะไร”
ช้างกินซีเรียลอย่างไร? ด้วยการหยิบ
อย่าท้าทายช้างในการแข่งขันกิน ช้างที่โตเต็มที่สามารถลดพื้นที่สีเขียวได้ 200 กิโลกรัม (นั่นคือ 440 ปอนด์) ทุกวัน มันสามารถหักกิ่งไม้ทั้งต้นและแทะเล็มมันเหมือนต้นบร็อคโคลี่ยักษ์ แต่ช้างจะรักษาอัตราการกินได้อย่างไรเมื่อต้องเผชิญกับอาหารชิ้นเล็กๆ อย่างเช่นชามซีเรียล? พวกเขาเพียงแค่กดและหนีบด้วยกางเกงชั้นในที่ยืดหยุ่นได้ ผลการศึกษาพบว่า กลวิธีที่เพิ่งค้นพบนี้สามารถแนะนำวิศวกรในการออกแบบหุ่นยนต์ที่ยืดหยุ่นได้ดีขึ้น
David Hu มักจะเน้นที่ปลายอีกด้านของช้าง เขาเป็นวิศวกรเครื่องกล — คนที่ศึกษาว่าสิ่งต่างๆ เคลื่อนไหวอย่างไร เขาทำงานที่สถาบันเทคโนโลยีจอร์เจียในแอตแลนตา Hu และเพื่อนร่วมงานของเขาใช้เวลาส่วนใหญ่ในสวนสัตว์แอตแลนต้าเพื่อถ่ายวิดีโอช้างจากด้านหลัง โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เขาตั้งข้อสังเกตว่า พวกเขาศึกษา “การฉี่และอึของช้าง” ห้องทดลองของเขาเปรียบเทียบว่าสัตว์ต่างๆ สามารถกำจัดของเสียได้เร็วเพียงใด
แต่อีกด้านของช้างก็น่าสนใจเช่นกัน ภัณฑารักษ์ชี้ไปที่สวนสัตว์ เมื่อ Hu ได้รับการสาธิตในที่สุด เขาก็รู้สึกประทับใจ “ผมไม่เคยเห็นพวกเขากินอะไรเลย” เขากล่าว “เมื่อมีจำนวนมากที่จะรวบรวมพวกเขาจะเร็วมาก – ฉันเกือบจะพูดว่าโลภ” ทีมของหูเริ่มสงสัยว่าช้างใช้งวงของพวกมันในการรวบรวมอาหารประเภทต่างๆ ได้อย่างไร พวกเขาสนใจเป็นพิเศษว่าสัตว์เหล่านี้หยิบวัสดุที่เป็นเม็ดๆ เช่น ซีเรียล แป้ง หรือน้ำตาลได้อย่างไร “วัสดุที่เป็นเม็ดเล็กคือสิ่งที่ประกอบขึ้นจากชิ้นส่วนเล็กๆ จำนวนมาก” สกอตต์ แฟรงคลินอธิบาย เขาเป็นนักฟิสิกส์ที่สถาบันเทคโนโลยีโรเชสเตอร์ในนิวยอร์ก
“วัสดุที่เป็นเม็ดอยู่ระหว่างของแข็งและของเหลว” Karen Daniels กล่าว เธอเป็นนักฟิสิกส์ที่ North Carolina State University ในราลี และไม่ได้มีส่วนร่วมในการศึกษาครั้งใหม่นี้ วัสดุดังกล่าวมีพฤติกรรมที่คาดเดาไม่ได้ ตัวอย่างเช่น เมื่อมีคนพยายามเทซีเรียลออกจากกล่อง มันอาจจะติดอยู่ กระแทกกล่องและทันใดนั้นหิมะถล่มซีเรียลก็ล้นชาม การศึกษาว่าสัตว์อื่นๆ เช่น ช้าง ยกของแปลก ๆ ได้อย่างไร อาจช่วยให้วิศวกรพัฒนาหุ่นยนต์ที่สามารถทำสิ่งเดียวกันได้
กดแล้วหนีบ
Hu, Franklin และเพื่อนร่วมงานถ่ายวิดีโอของ Kelly ช้างแอฟริกาที่สวนสัตว์แอตแลนตา พวกเขาถ่ายรูตาบากัสที่กำลังกินของเธอซึ่งถูกหั่นเป็นชิ้นใหญ่ กลาง และเล็ก พวกเขายังทดสอบเคลลี่กับธัญพืชรำข้าวคั่วเม็ดเล็กๆ คุณอาจคิดว่าสิ่งเหล่านี้เทียบเท่ากับช้างของ Wheaties “ Cheerios จะแพงเกินไป” Hu อธิบาย “เธอกินเยอะ กล่อง Cheerios หนึ่งกล่องจะใช้เวลาประมาณสองนาทีเท่านั้น”
นักวิจัยวางขนมของ Kelly ไว้ในอุปกรณ์ที่เรียกว่าจานบังคับ วัดแรงที่ช้างใช้จับอาหารบนจานนั้น เคลลี่ได้ขนม 24 ชุด เธอเอื้อมมือออกไปและม้วนลำตัวของเธอรอบชิ้น rutabaga แล้วเธอก็ตักมันจากด้านข้าง นี่เป็นเหมือนการคว้ากองสิ่งของไว้ที่ข้อศอกของคุณ Hu อธิบาย
สกู๊ปไม่ต้องการแรงมาก — เพียงประมาณหกนิวตันเท่านั้น นั่นคือประมาณ 10 เท่าของแรงที่จำเป็นในการกดปุ่มคอมพิวเตอร์ เคลลี่ใช้วิธีการม้วนผมแบบลำต้นแบบเดียวกันเพื่อหยิบชิ้นผักที่ใหญ่ขึ้น แต่เธอกลับใช้สิ่งเล็กๆ น้อยๆ ที่ต่างไปจากเดิม ตอนนี้เคลลี่ยืดลำตัวของเธอออกและกดลงบนกองอาหาร จากนั้นเธอก็บีบปลายจมูกเข้าหากันเพื่อหยิบขึ้นมา ขณะที่เธอบีบ ปลายของลำต้นก็กลายเป็นข้อต่อ ซึ่งเป็นผลงานที่น่าประทับใจสำหรับจมูกที่ยาวและไม่มีกระดูกนี้
วิธีการกดและบีบนิ้วนี้ใช้ได้ผลมากกว่า เมื่อลูกบาศก์มีขนาดใหญ่ จะใช้แรงประมาณ 10 นิวตัน สำหรับซีเรียลนั้นใช้เวลาประมาณ 40 นิวตัน นั่นเป็นงานที่ละเอียดอ่อนสำหรับลำต้นขนาดใหญ่ โดยใช้กำลังเพียงประมาณหนึ่งในยี่สิบของค่าเฉลี่ย เท่ากับที่มนุษย์ต้องใช้ในการกัดอะไรบางอย่าง
“เมื่อคุณหยิบกองอนุภาค คุณกำลังใช้แรงเสียดทาน” แฟรงคลินอธิบาย นั่นคือความต้านทานระหว่างวัตถุที่ถูกัน เมื่อมีแรงเสียดทานเพียงพอ อนุภาคจะหยุดเคลื่อนที่ แทนที่จะเทเหมือนซีเรียลหรือเลื่อนไปมาเหมือนกองชิ้น rutabaga อนุภาคจะเริ่มทำหน้าที่เหมือนชิ้นแข็งชิ้นเดียว
ยิ่งช้างยกอนุภาคได้มากเท่าไร เธอก็ยิ่งต้องใช้แรงมากขึ้นเท่านั้น ด้วยรูตาบากาเพียงไม่กี่ชิ้น มีจุดเสียดสีน้อยลง ดังนั้นเคลลี่จึงไม่ต้องออกแรงมาก แต่สำหรับซีเรียล มีจุดเสียดสีมากมาย — ที่สำหรับให้เมล็ดพืชลื่นไถล ช้างจึงกดดันมากขึ้น Hu, Franklin และเพื่อนร่วมงานได้ตีพิมพ์ผลการวิจัยเมื่อวันที่ 24 ตุลาคมใน Journal of the Royal Society Interface
จมูกสำหรับแรงบันดาลใจ
“ฉันรู้สึกอิจฉาเสมอเมื่ออ่านเอกสารของ [Hu]” Daniels จาก NC State กล่าว “เขาต้องไปสวนสัตว์และทำการทดลองกับสัตว์” เธออธิบาย “ฉันทำการทดลองในห้องแล็บเท่านั้น”
ช้างอาจจะสนุก แต่ก็ยากที่จะทำงานด้วย ตัวอย่างเช่น ช้างอาจตัดสินใจไม่ร่วมมือในวันหนึ่ง ถึงกระนั้น แดเนียลส์คิดว่าการทำงานกับพวกเขานั้นคุ้มค่ากับความพยายาม “เป็นวิธีที่ทำให้เราได้รับแรงบันดาลใจอย่างสร้างสรรค์” คนที่พยายามหยิบซีเรียลกองหนึ่งอาจนึกถึงไม้กวาดและที่โกยผง ช้างไม่มีทางเลือกนั้น เมื่อคุณนำความท้าทายดังกล่าวมาสู่สัตว์อีกตัวหนึ่ง อย่างที่นี่ “มันทำให้คุณมีความคิดที่แตกต่างและหลากหลายมากขึ้น” เธอชี้ให้เห็น
การค้นพบใหม่นี้ไม่ได้จำกัดอยู่เพียงช้างที่กังวลใจในการหาขนม แขนขาของหุ่นยนต์อาจติดอนุภาคเข้าด้วยกันเพื่อหยิบขึ้นมา Daniel Goldman กล่าว เขาศึกษาชีวฟิสิกส์ – แรงทางกายภาพที่เกิดจากสิ่งมีชีวิต – ที่จอร์เจียเทคในแอตแลนต้า เขาไม่ได้มีส่วนร่วมในการศึกษา “อุปกรณ์หุ่นยนต์แบบนิ่มจะเป็นเรื่องปกติสำหรับสิ่งเหล่านี้” เขากล่าว วิศวกรสามารถสร้างหุ่นยนต์ที่ยืดหยุ่นได้ซึ่งสามารถจับอนุภาคขนาดเล็กโดยนำพวกมันมาประกบกันแบบช้าง นั่นอาจช่วยให้หุ่นยนต์รับมือกับความท้าทายทั้งหมดในชีวิต รวมถึงการหยิบเศษที่เหมือนเศษเล็กเศษน้อย
สามารถอัพเดตข่าวสารเรื่องราวต่างๆได้ที่ firebirdgass.com