Para ilmuwan mengungkap rahasia di balik kekuatan super air katak

Katak kriket, yang berasal dari Virginia dan North Carolina, menunjukkan kemampuan luar biasa untuk meluncur melintasi permukaan air, menantang persepsi kita tentang fisika dan perilaku hewan.

Penelitian baru telah meluncurkan bahwa apa yang tampak seperti tarian air sebenarnya adalah serangkaian lompatan yang cepat dan tenggelam. Wawasan yang mengejutkan ini memajukan pemahaman kita tentang penggerak hewan dan memiliki implikasi potensial untuk mengembangkan robotika canggih dan drone amfibi yang terinspirasi oleh desain alam.

Katak seluncur air

Apakah berjalan di atas air mungkin untuk katak?

Beberapa katak jenis telah memikat para ilmuwan dan penggemar alam dengan kemampuan mereka yang tampaknya mustahil untuk melompat dan melompat melintasi air, seolah -olah menentang gravitasi. Di antara katak yang luar biasa ini adalah katak kriket, spesies yang berasal dari Virginia dan Carolina Utara. Gerakannya di atas air tidak hanya menarik tetapi juga menawarkan wawasan yang dapat membentuk inovasi di masa depan dalam robotika, desain perahu, dan teknologi lainnya.

Jake Socha, profesor teknik mesin Samuel Herrick, memimpin tim peneliti yang menyelidiki keterampilan unik katak kriket yang disebut “Skittering.” Istilah ini mengacu pada kemampuan katak untuk melakukan beberapa lompatan cepat di permukaan air. Temuan mereka, dirinci di Jurnal Biologi EksperimentalPeneliti pascasarjana fitur Talia Weiss sebagai penulis utama penelitian.

“Skittering sebenarnya bukan kata yang jelas untuk perilaku ini-seorang naturalis menggunakannya untuk menggambarkan perilaku 'melompat pada air' dalam katak pada tahun 1949, dan sejak itu, telah digunakan untuk jenis gerak ini dalam semua literatur berikut, ”Kata Weiss. “Bagian dari penelitian ini tidak hanya mempelajari perilaku ini dalam katak kriket, tetapi untuk mencoba dan memberikan 'melompati' definisi ilmiah yang lebih tepat.”

Mekanika penggerak yang unik

Bagaimana mereka melakukannya? Dalam studi mereka, anggota tim Socha menemukan bahwa pendapat populer umumnya menyatakan bahwa katak melintasi air tanpa tenggelam, tetapi melakukan hal itu mungkin masih memerlukan anatomi yang sangat khusus. Apa yang tidak dimiliki katak ini yang tidak dimiliki katak lain?

“Lab kami telah mempelajari berbagai hewan, dan banyak yang menunjukkan perilaku menarik dalam menavigasi lingkungan mereka,” kata Socha. “Katak kriket yang rendah hati tinggal di dekatnya, namun masih mengejutkan kami dengan kabilitasnya, semakin memotivasi keingintahuan kami untuk memahami dunia yang hidup.

Wawasan videografi berkecepatan tinggi

Katak kriket adalah salah satu katak terkecil di Amerika Utara, dengan mudah duduk di jempol tangan orang dewasa biasa. Untuk mengamati kriket katak yang bergerak, anggota tim menggunakan videografi berkecepatan tinggi. Mereka merekam bagaimana katak melompat di darat serta di dalam air (video), menonton gerakan kaki mereka saat mereka menavigasi keduanya.

Tim menemukan bahwa katak benar -benar tenggelam dengan setiap lompatan. Sementara “Skittering” memberikan gambar katak dengan bebas melompat -lompat sementara hanya kaki mereka menembus permukaan air, rekaman menunjukkan gambar yang berbeda. Socha, Weiss, dan rekan tim mereka melihat bahwa setiap kali seekor katak turun dari lompatan, seluruh tubuhnya akan tenggelam. Gerakan itu kurang seperti katak yang melompat dan menari melintasi air dengan bebas, dan lebih seperti lompatan dan lompatan. Gerakan mereka mungkin lebih tepat disebut, “lumba -lumba,” setelah gerakan yang digunakan lumba -lumba atau lumba -lumba: melompat ke udara dari bawah permukaan air.

Dinamika Frog Jumps

Alasan mengapa katak kriket sebelumnya tampak menari melintasi air ketika dilihat oleh mata sebagian besar karena gerakan cepat mereka.

Untuk merekam gerakan ultra-cepat ini, tim menggunakan tangki kaca 20 galon dan melepaskan katak ke dalamnya. Kamera berkecepatan tinggi menembak hingga 500 frame per detik ditujukan dari sisi tangki kaca untuk menangkap aksi di atas dan di bawah permukaan air. Saat katak melompat, tim menangkap liburan mereka.

Rekaman itu kemudian melambat ke sebagian kecil dari kecepatan asli. Ketika mereka menonton rekaman itu, anggota tim melakukan pengamatan mengejutkan: katak memang tenggelam.

Mengungkapkan pengamatan gerak lambat

“Sangat menarik betapa mudahnya kita bisa dibodohi oleh gerakan hewan yang cepat,” kata Socha. “Di sini, kita tertipu oleh katak yang tampak seperti batu lewati, tetapi sebenarnya melompat dan mencelupkan beberapa kali berturut -turut. Katak adalah jumper hebat, tetapi kebanyakan dari mereka tidak menunjukkan perilaku lumba -lumba ini, dan kami masih tidak tahu mengapa. Apakah ada sesuatu yang istimewa tentang lompatan katak, atau hanya masalah ukuran tubuh yang kecil? ”

Dengan mengamati mereka dalam gerakan lambat, anggota tim dapat mengamati gerakan katak saat ia menarik dan memperpanjang anggota tubuhnya. Mereka juga memperhatikan bahwa sudut tubuhnya ke garis air memainkan faktor, memberikan kemampuan untuk menyeimbangkan dirinya di dalam air. Mereka mematahkan setiap siklus lompatan menjadi:

• Lepas landas, dari posisi terendam
• Udara, atau waktu di udara mengikuti lompatan
• Masuk kembali, kembali ke air
• Pemulihan, mengatur ulang lompatan berikutnya

Dalam sedikit lebih dari satu detik, katak akan lepas landas sambil benar -benar tenggelam, memperpanjang kakinya dalam dorongan bawah air untuk mendorong tubuhnya di atas permukaan. Kaki belakangnya tetap diperpanjang saat bergerak di udara, dan kaki depannya bergerak dari menekan tubuhnya untuk mencapai ke depan. Kaki depan yang diperpanjang adalah yang pertama menabrak air setelah masuk kembali, dan kaki belakang masih diperpanjang saat tenggelam. Saat tenggelam, kaki belakang menarik kembali dan menekuk kembali ke posisi melompat. Lompatan lain dieksekusi, mengulangi gerakan.

Ini pada dasarnya kegagalan perut.

Tim mengamati katak melakukan sebanyak delapan lompatan berturut -turut, masing -masing sepenuhnya dieksekusi dalam waktu kurang dari satu detik.

Implikasi untuk teknologi dan robotika

Memahami skittering adalah penemuan penting bagi ranah biologi, tetapi juga memegang kunci lain. Penemuan ini memberikan dasar fisik baru untuk masa depan robotika yang terinspirasi bio. Ini dapat diterapkan pada sistem pengujian air yang diperlukan untuk dikerahkan dengan cepat, atau drone amfibi yang mengambil pengukuran kedalaman air. Perangkat futuristik tersebut dapat mengambil isyarat dari alam untuk menggunakan metode yang telah teruji dengan katak selama berabad-abad.

Referensi: “Gerakan Melacak dalam Katak Kriket: Suatu Bentuk Porpoising” oleh Talia Weiss, Gary B. Gillis, Jennifer, Van Mullekom dan John J. Socha, 15 November 2024, Jurnal Biologi Eksperimental.
Doi: 10.1242/jeb.249403

Penelitian ini didukung oleh Institute for Critical Technology dan Applied Sciences (ICTAS), IgEP transportasi biologis, dan National Science Foundation.

Anggota tim lain pada proyek ini meliputi:

• Jennifer Van Mullekom, Profesor Praktik dalam Statistik
• Gary Gillis, Norman Wait Harris dan Emma Gale Harris Foundation Profesor Ilmu Biologi di Gunung Holyoke