Животные в процессе эволюции выработали разнообразные сенсорные системы, которые помогают им наблюдать за окружающей средой, передвигаться по местности, ориентироваться в темноте, находить пищу и обнаруживать хищников. Многие виды млекопитающих, например кошки и крысы, используют в качестве тактильных органов сенсорные волоски, которые называют усами, или вибриссами.
Хобот слона, от основания до кончика, тоже покрыт примерно тысячью усиков длиной около пяти сантиметров каждый. Однако, в отличие от вибрисс грызунов, эти усики не снабжены специальными мышцами, которые обеспечивают характерное вибрирование при соприкосновении с объектами. Кроме того, слоновьи усики, в отличие от крысиных вибрисс, никогда не отрастают заново после повреждения.
Как установила команда инженеров, материаловедов и нейробиологов, статья которых опубликована в журнале Science, усики, покрывающие слоновий хобот, отличаются от вибрисс грызунов и по другим параметрам. Причем эти отличия как раз обеспечивают слонам их невероятно острое чувство осязания, компенсирующее толстую кожу и плохое зрение.
С помощью микрокомпьютерной томографии и электронной микроскопии ученые выяснили, что каждый усик, покрывающий хобот азиатского слона, имеет толстое, жесткое и круглое основание, которое пронизывают поры.
Жесткое пористое основание усика плавно переходит в мягкий, плотный, упругий, будто сделанный из резины кончик конусообразной, овальной на срезе формы. Этим слоновые усики отличаются от равномерно жестких по всей длине усов крыс и мышей.
Такие постепенные переходы от жесткого к мягкому, от пористого к плотному, от круглого к овальному называются функциональными градиентами. Каждый из трех функциональных градиентов, присущих покрывающим хобот усикам, — геометрии, пористости и жесткости — по-своему регулирует тактильное восприятие слона.
Компьютерное моделирование показало, что конусообразная овальная геометрия усика усиливает его взаимодействие с поверхностями и текстурами, а также позволяет выбирать предпочтительные направления изгиба.
Переход от пористого основания к плотному кончику уменьшает массу усика и снижает риск поломки. Переход от жесткого основания к мягкому кончику позволяет усику изгибаться в разные стороны, а слону — точно определять точки контакта усика с окружающей средой вдоль всей его длины. Это свойство помогает слону понять, насколько близко или далеко его хобот находится от объекта, и осторожно манипулировать даже очень деликатными предметами.
Исследовательская группа, вдохновившись функциональными градиентами, обнаруженными в слоновьих усиках, планирует разработать новые роботизированные сенсорные технологии.