スポッテッドランタンフライの幼虫:自分で起き上がる達人
この研究は、ニンフが落ちた後にどうやって素早く自分を起き上がらせるかを明らかにしている。
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目次
ひっくり返った虫たちは、簡単に自分を元に戻すことができる。これがあるおかげで、空腹の捕食者から逃げたり、食べ物を見つけたり、水分を保ったりできる。この行動は自己立ち上がりと呼ばれ、虫だけじゃなくて、カエル、カメ、ネズミなんかでも見られる。
虫の自己立ち上がりの仕組み
動物たちは自分を立て直すのにいろんな方法を使う。例えば、研究者たちは甲虫が自分をひっくり返すために使う20種類の方法を見つけた。いろんな動物がどうやって立ち上がるかを知ることで、彼らの体の形や動き方を理解できる。
研究者たちは、動物の立ち上がり方がロボットのデザインに影響を与えられるとも発見した。こういうロボットはひっくり返ってもすぐに立ち直れるように作られていて、特に厳しい環境で動くときに重要なんだ。
スポッテッドランタンフライの若虫に注目
この研究はスポッテッドランタンフライの若虫に焦点を当ててる。この害虫はアメリカで問題になってきていて、落ちたときにすぐに元に戻れる必要がある。先行研究では、若虫は空中で落ちても、着地しても成功裏に立ち上がれることが示された。ここでは、背中から始まったときにどうやって自分をひっくり返すのかを見ていく。
観察方法
これを調べるために、研究者たちは若虫がいろんな表面でひっくり返そうとする様子をハイスピードカメラで記録した。若虫が自己立ち上がりのときに使う動きと、その動きが表面や成長段階によってどう変わるかを理解するのが目的だった。
立ち上がり動作の記録
研究者たちは特別なコンピュータプログラムを使って、若虫の体と足の動きをすべて追跡した。彼らの動きを追うことで、虫たちが自己立ち上がりを試みるときにエネルギーをどう使っているのか、体の形がひっくり返す能力にどう影響しているのかを見つけられた。
実験のセッティング
若虫は特定の植物から集められ、捕獲された後すぐにラボで撮影してまだ活発であることを確認した。実験では、滑らかなガラスや粗いサンドペーパーなど、いろんな表面を使って、若虫の立ち上がり能力がどう変わるかを調べた。
観察結果と結果
若虫は何度もひっくり返そうと試みては、成功するか諦めるまでの様子が観察された。もしひっくり返せなかったら、研究者たちはかかった時間と試行回数を記録した。若虫は自己立ち上がりのときにいろんな動きを見せていて、通常は足を動かして面を探してから、立ち上がろうとする。
自己立ち上がりの成功率
研究は、若虫が試したすべての表面で自己立ち上がりに非常に成功していることを見つけた。研究者たちは各若虫に対して複数回の試験を行い、信頼できる結果のために十分なデータを集めた。彼らはまた、若虫が疲れたか、繰り返しの試みから学んだかを調べたが、成功率はほとんど一定だった。
自己立ち上がりのテクニック
若虫は一般的に自分をひっくり返すために3つの主なテクニックを使った:
斜め回転: ほとんどの試みは、地面との接触を保ちながら体を回転させることを含んでいた。この方法は、脚の力と動きに依存して、ピボットして地面を押すことが必要だった。
持ち上げ回転: 場合によっては、若虫が脚を使って完全に体を持ち上げてから、立ち上がるためにひっくり返すこともあった。これには脚の動きの連携が必要だった。
ピッチング: この方法は若虫によってあまり使われなかった、というのも、体の一端が地面に接触している必要があり、脚を振ってひっくり返す必要があるから。これは安定性が低く、多くの試みが失敗した。
表面のテクスチャの役割
若虫がいる表面は、自己立ち上がりの能力に影響を与えた。研究者たちは、若虫がサンドペーパー、ガラス、滑らかなポスターボードなど、さまざまな素材でどれだけひっくり返せるかを比較した。若虫は、より良く掴める粗い表面で最も良いパフォーマンスを発揮した。
機械的特性とエネルギーの使用
自己立ち上がりの過程で、研究者たちは若虫のひっくり返す試みの際にエネルギーがどう働くかを分析した。彼らは、潜在エネルギー(高さに関連)や運動エネルギー(動きに関連)を調べた。ほとんどのエネルギーは立ち上がり動作の初期部分で使用され、脚の動きが成功に大きく寄与していた。
脚の動きと連携
脚の動きは非常に連携が取れていて、若虫は自己立ち上がりの成功を最大限にできた。立ち上がりのときに脚が一緒に動くことに強い相関関係が見られ、パフォーマンスが向上した。この連携は、ひっくり返しに必要な適切なトルクを生み出すのに重要だった。
ロボティクスへの応用
スポッテッドランタンフライの若虫の立ち上がり行動からの発見は、虫をよりよく理解するだけじゃなくて、ロボティクスにも教訓を持っている。エンジニアたちがこれらの生き物の動きから学んで、複雑な状況でひっくり返っても立ち直れるロボットを作る手助けになる。
結論
スポッテッドランタンフライの若虫が落ちたときに自分をひっくり返す能力は、物理的な動きと体の形が生存にどう寄与しているかの洞察を提供している。この研究は、脚の動きや様々な自己立ち上がりのテクニックの重要性を強調し、今後の生物学的およびロボット応用に関する研究の道を開いている。
タイトル: Using pose estimation and 3D rendered models to study leg-mediated self-righting by lanternflies
概要: The ability to upright quickly and efficiently when overturned on the ground (terrestrial self-righting) is crucial for living organisms and robots. Previous studies have mapped the diverse behaviors used by various animals to self-right on different substrates, and proposed physical models to explain how body morphology can favor specific self-righting methods. However, to our knowledge no studies have quantified and modeled all of an animals limb motions during these complicated behaviors. Here, we studied terrestrial self-righting for nymphs of the invasive spotted lanternfly (Lycorma delicatula), an insect that must frequently recover from being overturned after jumping and falling in its native habitat. These nymphs self-righted successfully in 92-100% of trials on three substrates with different friction and roughness, with no significant difference in the time or number of attempts required. They accomplished this using three stereotypic sequences of movements. To understand these motions, we combined 3D poses tracked on multi-view high-speed video with articulated 3D models created using photogrammetry and Blender rendering software. The results were used to calculate the mechanical properties (e.g., potential and kinetic energy, angular speed, stability margin, torque, force, etc.) of these insects during righting trials. We used an inverted physical pendulum model (a "template") to estimate the kinetic energy available in comparison to the increase in potential energy required to flip over. While these insects began righting using primarily quasistatic motions, they also used dynamic leg motions to achieve final tip-over. However, this template did not describe important features of the insects center of mass trajectory and rotational dynamics, necessitating the use of an "anchor" model comprising the 3D rendered body model and six articulated two-segment legs to model the bodys internal degrees of freedom and capture the role of the legs contribution to inertial reorientation. This anchor elucidated the sequence of highly coordinated leg movements these insects used for propulsion, adhesion, and inertial reorientation during righting, and how they frequently pivot about a body contact point on the ground to flip upright. In the most frequently used method, diagonal rotation, these motions allowed nymphs to spin their bodies to upright with lower force with a greater stability margin compared to the other less frequently-used methods. We provide a concise overview of necessary background on 3D orientation and rotational dynamics, and the resources required to apply these low-cost modeling methods to other problems in biomechanics.
著者: Suzanne Amador Kane, T. Bien, B. H. Alexander, C. Li, N. Goeler-Slough, S. T. Hsieh
最終更新: 2024-02-27 00:00:00
言語: English
ソースURL: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.02.06.527347
ソースPDF: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.02.06.527347.full.pdf
ライセンス: https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/
変更点: この要約はAIの助けを借りて作成されており、不正確な場合があります。正確な情報については、ここにリンクされている元のソース文書を参照してください。
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