Слоны едят сотни килограммов еды в день, аккуратно снимают с веток арахис и берут хрупкие кукурузные лепешки так, чтобы те не рассыпались. При этом зрение у них слабое, а кожа толстая. Как им удается быть такими нежными и ловкими? Секрет — в хоботе, а точнее, в тысяче вибрисс, которые его покрывают. Немецкие ученые выяснили, что усы слонов устроены хитрее, чем считалось раньше. Исследование провели в Институте интеллектуальных систем Общества Макса Планка. Команда физиков, биологов и инженеров почти три года пыталась понять, как гигантское животное управляется с мелкими предметами. Результаты опубликовали в журнале Science. Ранее мы рассказывали, почему на Бали запретили катание на слонах.

Оказалось, что у слонов и домашних кошек вибриссы жесткие только у основания, а ближе к кончику становятся мягкими, как резина. У крыс и мышей усы твердые по всей длине — они ломаются чаще и хуже чувствуют предметы. А вот слоны благодаря такому перепаду жесткости буквально «видят» хоботом. Им не надо смотреть, где лежит еда: вибриссы сами передают мозгу точку контакта. 

«Я приехал в Германию изучать слонов и хотел разобраться в робототехнике, — рассказывает доктор Эндрю Шульц, ведущий автор работы. — Мой наставник профессор Кэтрин Кухенбеккер занималась тактильными датчиками. Мы объединили усилия и решили подсмотреть идеи у природы».

Чтобы понять механику усов, ученые применили микрокомпьютерную томографию. Они рассматривали образцы длиной пять сантиметров вплоть до нанометрового масштаба. Выяснилось: вибриссы слонов вовсе не круглые и сплошные, как у грызунов, а плоские, похожие на лезвия. Внутри они полые, с каналами — почти как копыта лошади или рога барана. Это делает усы прочными, но легкими. Слон может целый день тыкаться хоботом в деревья и не бояться ничего сломать.

Следом за томографией применили наноиндентирование — вдавливали в усы алмазный кубик размером с клетку. У самого основания материал был твердым, как пластик, а на кончике — эластичным, как резина. Для сравнения исследователи проверили волосы с тела и хвоста азиатских слонов. Те оказались жесткими от корня до конца. Это подтвердило: градиент жесткости есть только на хоботе.

Но зачем это нужно? Чтобы проверить догадку, команда напечатала на 3D-принтере увеличенную модель уса. Основание сделали жестким и темным, кончик — мягким и прозрачным. Дальше подключили компьютерное моделирование. Цифровой двойник уса подтвердил: переход от жесткого к мягкому дает слону точное понимание дистанции. Мозгу не приходится гадать — конструкция уса сама подсказывает, где произошло касание. 

Сейчас команда работает над тем, чтобы перенести этот принцип в робототехнику. Датчики с искусственным градиентом жесткости смогут давать точную информацию без мощных процессоров. Просто за счет формы и упругости.