Грегори Гбур - Загадка падающей кошки и фундаментальная физика

В 1940 г. Эджертона пригласили в Голливуд продемонстрировать разработанные им методы. Результатом сложившегося сотрудничества стал короткометражный документальный фильм 1940 г. «Быстрее мгновения ока», в который вошел короткий фрагмент съемки лакающей кошки. В сопроводительном тексте говорится, что кошка изгибает язык вниз, так что он образует как бы перевернутый ковшик, но сегодня мы ясно видим на пленке тот самый инерциальный эффект, который был представлен в 2010 г. Вполне закономерно, что Эджертон значительную часть работы с высокоскоростной фотографией проводил в МТИ — там же, где спустя почти 70 лет группа Стокера сделала свое открытие. Мало того, группа пользовалась оборудованием из Центра Эджертона при МТИ, где, если верить сайту института, «продолжает жить дух открытия Гарольда Эджертона» и «где мы предоставляем студентам возможность учиться на практике».

Эджертон и сам снимал падающих кошек. В 1930-е гг., когда он вместе с коллегой по МТИ Кеннетом Гермесхаузеном все еще активно продвигал свои методы в научном сообществе, Гарольд обнаружил, что кошачий рефлекс переворачивания в правильное положение — первоклассное средство для привлечения внимания. Их «кошачьи» фотографии появились в журнале Science News-Letter в 1934 г.

Нет никакого стыда в том, что вы или еще какой-то маленький мальчик не выяснили, как кошка переворачивается. Чтобы прояснить этот вопрос, потребовались ресурсы и возможности хорошей инженерной лаборатории, ум и талант двух изобретательных и трудолюбивых молодых ученых. Но совсем недавно фильм о том, как кошка переворачивается в воздухе, как пара мух стартует с поверхности, как канарейка взлетает, и о множестве других движений, слишком быстрых, чтобы их увидеть, которые производят живые существа, был показан в собрании Национальной академии наук в Кембридже, и ученейшие люди Америки на время прекратили обсуждение космических лучей, расширяющейся Вселенной и прочих столь же хитромудрых вещей, чтобы посмотреть на это и поаплодировать {17} .

Ниже вы можете видеть один из сделанных Эджертоном снимков падающей кошки. В повороте тела кошки видна часть того движения, о котором говорили Радемакер и тер Браак.

Язык кошки скрывает в себе еще больше сюрпризов. Все хозяева кошек знакомы с ощущением наждака при прикосновении кошачьего языка. Грубость поверхности кошачьего языка имеет огромное практическое значение. Однажды, когда докторантка Алексис Ноэль наблюдала, как ее кот Мёрфи лижет одеяло из микрофибры, она увидела, как он сначала застопорился в своем движении, но затем поднажал на язык и высвободился. Задумавшись над тем, почему язык вообще застрял на одеяле, Ноэль взяла образец тканей кошачьего языка и сделала его трехмерную модель при помощи компьютерной томографии. Рассматривая получившиеся изображения, она обнаружила, что язык кошки вовсе не похож на наждачную бумагу, зато снабжен серией гибких когтеобразных гребней, способных зацеплять и вытаскивать спутанные комочки из кошачьего меха. Вот как она это описывает:

Когда язык скользит по меху, крючочки цепляют спутанные комочки и мусоринки. Комочек тянет за крючок, и крючок поворачивается, медленно распутывая пух. Подобно когтям, передняя часть гребня на языке загнута и напоминает крючок. Так что, когда язык встречает катышек, он может за него зацепиться, в отличие от стандартных волосков щетки, которые просто сгибаются и соскальзывают с катышка {18} .

Ноэль представила полученные результаты на заседании секции динамики жидкостей Американского физического общества. Она включила в презентацию высокоскоростные фотографии умывания своей кошки, на которых видно, как она изгибает и скручивает язык, чтобы более эффективно распутывать любые встреченные катышки {19} .

Ноэль обнаружила на языке кошки еще один сюрприз. Когда она погрузила образец гребнистой поверхности в воду, то увидела, что крючочки на самом деле пустотелы и втягивают в себя жидкость посредством капиллярного действия. Этот механизм, утверждает она, позволяет кошке доставлять слюну глубоко в толщу меха, чтобы облегчить процесс чистки и распутывания. Ноэль подала патентную заявку на щетку для волос, которая работала бы на таком же принципе.

Изучение процессов лакания и умывания кошки может показаться легкомысленным и бестолковым занятием, но в обоих случаях исследователи предполагают, что их работы помогают понять, как можно создать совершенно новые типы гибких роботов. Мало того, кошачий рефлекс переворачивания в воздухе вызвал серьезный интерес специалистов-робототехников; подвижность животного стала своего рода идеалом и конечной целью в плане маневренности роботов.

В конце июля 1994 г. ученые из Университета Карнеги — Меллона отправились на Аляску с дерзкой миссией — проникнуть в кратер действующего вулкана и собрать данные. Но исследователи, действовавшие по поручению NASA, не собирались спускаться в кратер сами; туда предполагалось отправить «Данте II» — восьминогого автономного робота, который собирал бы образцы токсичных газов и составлял топографическую карту внутренности кратера при помощи лазеров. Робот, соединенный с управляющей станцией на гребне кратера шлейфом, должен был несколько дней ползти вниз, до дна, и примерно столько же обратно.

Миссия эта в основном оказалась успешной. «Данте II» спустился на дно, собрал нужные данные и начал двигаться в обратном направлении. Однако за время операции изменилась погода, и твердый заснеженный грунт превратился в ненадежную и скользкую грязь. На обратном пути наверх «Данте II» поскользнулся на склоне 30°, опрокинулся и застрял. Потребовалось несколько дней, чтобы вытащить из кратера робота, весившего примерно тонну. Первая попытка поднять его из грязи вертолетом не удалась, и это заставило геологов самим принять участие в спасательной операции, что, вероятно, обесценило, по крайней мере символически, идею отправить в такое опасное место робота. Ученые прикрепили к нему трос, который позволил вытащить робота из вулканической горячей точки, чтобы он мог теперь спокойно отдыхать в музее в качестве экспоната — с семью сломанными ногами и разбитым лазерным сканером {1} .

Нельзя сказать, что вариант, при котором робот споткнется, был совершенно неожиданным. Его заранее рассматривали и разбирали со всех возможных сторон — и очень этого боялись. Как сказал Джон Беарс — специалист по робототехнике из Университета Карнеги — Меллона: «В худших своих кошмарах мы видели, как одна из ног погружается в землю и просто не выходит обратно» {2} . «Данте II» был разработан с прицелом на статическую стабильность : имея восемь ног, он должен был в любой момент держать более чем две из них на грунте, даже при ходьбе. Благодаря своей конструкции робот был способен автономно передвигаться по пересеченной местности, но ничто в управляющей им программе не позволяло ему вносить поправки в случае неожиданных соскальзываний и падений.