Un robot parecido a un cocodrilo ayuda a resolver un misterio de 300 millones de años

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Un robot parecido a un cocodrilo ayuda a resolver un misterio de 300 millones de años





Casi 300 millones Hace años, una curiosa criatura llamada Orobates pabsti Caminó la tierra. Los animales acababan de comenzar a salir del agua y explorar el mundo grande y seco, y aquí estaba el tetrapod, que se come las plantas. Orobates, abriéndose paso en cuatro patas. Los paleontólogos saben que lo hizo porque un fósil particularmente bien conservado tiene, bueno, cuatro patas. Y afortunadamente, los científicos también descubrieron huellas fosilizadas, o vías, para igualar.
El supuesto ha sido que Orobates—Un primo del linaje amniote, que hoy en día incluye mamíferos y reptiles— y otros tetrapodos primitivos aún no habían evolucionado un modo de andar “avanzado”, sino que se arrastraban más como salamandras. Pero hoy, en un artículo épicamente multidisciplinar en Naturaleza, los investigadores detallan cómo se casaron con la paleontología, la biomecánica, las simulaciones por computadora, las demostraciones de animales vivos y hasta una Orobates robot para determinar que la antigua criatura probablemente caminó de una manera mucho más avanzada de lo que se creía posible. Y eso tiene grandes implicaciones para la comprensión de cómo evolucionó la locomoción en la tierra, sin mencionar cómo los científicos estudian las formas en que los animales extinguidos de todo tipo se movieron.
Nyakatura et al./Nature
Tomado solo, un esqueleto fósil o senderos fósiles no son suficientes para adivinar cómo se movía un animal. "Las huellas solo te muestran lo que hacen sus pies", dice el biomecánico John Hutchinson en el Royal Veterinary College, coautor del nuevo periódico, "porque hay muchos grados de libertad o diferentes formas en que una articulación puede moverse". Todos, comparten una anatomía pero pueden manejar muchos. maneras tontas de caminar Con el mismo equipo.
Sin las huellas, los investigadores no podrían decir con mucha confianza cómo se movió el esqueleto fósil. Y sin el esqueleto, no podrían analizar completamente las huellas. Pero con ambos, podrían calcular cientos de posibles modos de andar Orobates, desde el arrastre de barriga menos avanzado hasta el más avanzado, postura más alta de un cocodrilo corriendo en tierra.
Luego utilizaron una simulación por computadora para jugar con los parámetros, como la cantidad de la columna vertebral que se dobla hacia adelante y hacia atrás a medida que el animal se mueve. "La simulación básicamente nos dijo las fuerzas sobre el animal y nos dio algunas estimaciones de cómo la mecánica del animal podría haber funcionado en general", dice Hutchinson.
Puedes jugar con los parámetros tú mismo con este fantástico interactivo El equipo se juntó. En serio, haz clic en él y juega conmigo.
Los puntos en los gráficos tridimensionales son formas de andar posibles. Los puntos azules obtienen puntuaciones altas y los puntos rojos obtienen puntuaciones bajas. Haga doble clic en uno y debajo verá esa forma de caminar en particular en el trabajo de simulación. Te darás cuenta de que los puntos rojos hacen que las andanzas se vean un poco ... desgarbadas. Sin embargo, los puntos azul oscuro parecen ser una forma más razonable de mover un tetrapod. En la parte inferior, verás videos de especies existentes como la iguana y el caimán (un pequeño cocodrilo). Fueron las observaciones de estas especies las que ayudaron a los investigadores a determinar qué factores biomecánicos son importantes, por ejemplo, cuánto se dobla la columna vertebral.
Algunos otros parámetros: los controles deslizantes de la izquierda te permiten jugar con cosas como el gasto de energía. Deslízalo hacia la derecha y notarás que los buenos puntos azules desaparecen.
Sin embargo, aquí es donde las cosas se ponen difíciles. La eficiencia energética es clave para la supervivencia, por supuesto, pero no es la única restricción en la biomecánica. "No todos los animales optimizan la energía, especialmente las especies que solo usan ráfagas cortas de locomoción", dice el biólogo evolutivo John Nyakatura de la Universidad Humboldt de Berlín, autor principal del artículo. “Obviamente, para las especies que viajan largas distancias, la eficiencia energética es muy importante. Pero para otras especies podría ser menos importante ".
Otro factor es algo que se llama colisión ósea (que es una genial nombre para una banda de metal). Cuando estás armando un esqueleto fósil, no sabes cuánto cartílago rodeaba a las articulaciones, porque esa cosa se pudrió hace mucho tiempo. Y diferentes tipos de animales tienen diferentes cantidades de cartílago.
Así que eso es un gran desconocido con Orobates. En el modo interactivo, puede marcar la colisión del hueso hacia arriba y hacia abajo con el control deslizante a la izquierda. "Se puede permitir que los huesos colisionen libremente o simplemente que se toquen suavemente", dice Hutchinson. "O puede marcarlo hasta un nivel de 4 y no permitir colisiones, lo que básicamente significa que debe haber un espacio sustancial entre las uniones". Observe cómo eso cambia los puntos en el gráfico: cuanto más colisión evite, menos Las posibles andanzas. "Mientras que si permites un montón de colisión, hay más posibilidades para que la extremidad se mueva".
Ahora, el robot. El equipo diseñó OroBOT para que coincida estrechamente con la anatomía de Orobates. Por supuesto, está simplificado a partir de la biología pura, pero aún así es bastante complicado como van los robots. Cada miembro está formado por cinco articulaciones activadas ("actuadores" es el término robótico sofisticado para motores), mientras que la columna vertebral tiene ocho articulaciones activadas que le permiten doblarse hacia adelante y hacia atrás. En el modo interactivo, puedes jugar con la cantidad de flexión de la columna vertebral con un control deslizante a la izquierda y ver cuán dramáticamente eso cambia el modo de andar. Además, eche un vistazo al video del caimán que hay allí para ver cuánto se dobla su propia columna vertebral a medida que se mueve.
La belleza de la simulación es que puede ejecutar todo tipo de formas de andar con relativa rapidez. Pero no es así con un robot. "La ejecución de demasiados experimentos con una plataforma física es bastante costosa, y también se puede dañar la plataforma", dice el coautor y robotista Kamilo Melo del Instituto Federal de Tecnología de Suiza en Lausana. Ejecutar simulaciones ayudó a reducir la lista.
"Al final, tenemos varios modos de andar que sabemos que son bastante buenos, y ese es el tipo de modo de andar que probamos con el robot real", agrega Melo.
Lo que encontraron fue que dada la anatomía esquelética y las vías correspondientes, era probable que Orobates Caminaba bastante erguido, más como un caimán que como una salamandra. "Anteriormente, se suponía que solo los amniotes evolucionaban con esta avanzada locomoción terrestre", dice Nyakatura. “Que ya está presente en Orobates demuestra que debemos suponer que la diversidad locomotora estará presente un poco antes ”. Una confirmación importante de las vías: No hay marcas que correspondan a una cola de arrastre.
Así que gracias a una mezcla embriagadora de disciplinas dispares, los investigadores esencialmente pudieron resucitar una especie muerta hace mucho tiempo para determinar cómo podría haber caminado. "Debido a que han llevado el modelo digital y la robótica y todas esas cosas juntas a este único animal, podemos estar bastante seguros de que han aportado una sugerencia razonable de cómo se movió", dice el paleontólogo Stuart Sumida de la Universidad Estatal de California San Bernardino. Él tiene una visión única aquí, por cierto: Él ayudó describir Orobates  En primer lugar hace 15 años.
Es clave también considerar dónde Sumida y sus colegas encontraron el fósil, en Alemania. Hace unos 300 millones de años, no había agua corriente en el sitio de excavación. Y es agua corriente que los paleontólogos suelen confiar para preservar especímenes en el lodo. "Este era un ambiente terrestre que ocurría que ocasionalmente se inundaba", dice Sumida. "Y así se obtiene una instantánea muy inusual de cómo era la vida no en el agua."
El andar erguido de Orobates, entonces, tendría sentido. "Esto es algo que caminó con gran facilidad en la tierra, y esto es exactamente lo que sugirió la geología", dice Sumida. Lo que eso significa, agrega, es que Orobates y quizás otras especies tempranas de la tierra adaptadas a su ambiente más rápido de lo esperado.
Como los Bee Gees Una vez dicho: "Se puede decir por la forma en que uso mi caminata, soy un tetrapod temprano cómodamente terrestre, no tengo tiempo para hablar".
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