TED2004
Sheila Patek: The shrimp with a kick!
Шийла Патек засича времето за движение на най-бързите животни
Filmed:
Readability: 4
1,659,037 views
Биологът Шийла Патек разказва за работата си по измерването на скоростта на хранене на ракът-богомолка, едно от най-бързите движения в животинския свят, с помощта на видеокамери, които записват 20 000 кадъра в секунда.
Sheila Patek - Biologist, biomechanics researcher
Biologist Sheila Patek is addicted to speed -- animal speed. She's measured the fastest animal movements in the world, made by snail-smashing mantis shrimp and the snapping mandibles of trap-jaw ants. Full bio
Biologist Sheila Patek is addicted to speed -- animal speed. She's measured the fastest animal movements in the world, made by snail-smashing mantis shrimp and the snapping mandibles of trap-jaw ants. Full bio
Double-click the English transcript below to play the video.
00:25
If you'd like to learn how to play the lobster, we have some here.
0
0
3000
Ако искате да се научите как да свирите на омар, имаме няколко тук.
00:28
And that's not a joke, we really do.
1
3000
2000
Не е шега, наистина имаме.
00:30
So come up afterwards and I'll show you how to play a lobster.
2
5000
3000
Така че елате после, и ще ви покажа как да свирите на омар.
00:33
So, actually, I started working on what's called the mantis shrimp
3
8000
4000
Започнах да работя върху така наречения "рак-богомолка"
00:37
a few years ago because they make sound.
4
12000
3000
преди няколко години, защото те издават звук.
00:40
This is a recording I made of a mantis shrimp
5
15000
2000
Направих този запис на рак-богомолка,
00:42
that's found off the coast of California.
6
17000
2000
открит близо до крайбрежието на Калифорния.
00:55
And while that's an absolutely fascinating sound,
7
30000
3000
И ако това е един изключително пленителен звук,
00:58
it actually turns out to be a very difficult project.
8
33000
3000
проектът се оказа много труден.
01:01
And while I was struggling to figure out how and why mantis shrimp,
9
36000
5000
И докато се борех да разбера как и защо раците-богомолки
01:06
or stomatopods, make sound, I started to think about their appendages.
10
41000
4000
(стоматоподи) издават звук, започнах да мисля за израстъците им.
01:10
And mantis shrimp are called "mantis shrimp" after the praying mantises,
11
45000
3000
Раците-богомолки са наречени така заради богомолките,
01:13
which also have a fast feeding appendage. And I started to think,
12
48000
4000
които също имат израстък за бързо хранене. И започнах да мисля -
01:17
well, maybe it will be interesting, while listening to their sounds,
13
52000
3000
е, може би ще е интересно, докато слушаме звуците им,
01:20
to figure out how these animals generate very fast feeding strikes.
14
55000
3000
да разберем как тези животни генерират много бързи хранителни удари.
01:23
And so today I'll talk about the extreme stomatopod strike,
15
58000
4000
И така, днес ще говоря за екстремния стоматоподен удар -
01:27
work that I've done in collaboration with Wyatt Korff and Roy Caldwell.
16
62000
3000
мое изследване в сътрудничество с Уайът Корф и Рой Колдуел.
01:30
So, mantis shrimp come in two varieties:
17
65000
3000
Има два вида раци-богомолки:
01:33
there are spearers and smashers.
18
68000
2000
копиеносци и разбивачи.
01:35
And this is a spearing mantis shrimp, or stomatopod.
19
70000
3000
Това е мъжки копиеносец рак-богомолка, или стоматопод.
01:38
And he lives in the sand, and he catches things that go by overhead.
20
73000
5000
Живее в пясъка и хваща неща, минаващи над него.
01:43
So, a quick strike like that. And if we slow it down a bit,
21
78000
5000
Ето един бърз удар. А ако забавим малко,
01:48
this is the mantis shrimp -- the same species --
22
83000
2000
това е ракът-богомолка, същият вид,
01:50
recorded at 1,000 frames a second,
23
85000
2000
записан при 1000 кадъра в секунда,
01:52
played back at 15 frames per second.
24
87000
2000
и пуснат на 15 кадъра в секунда.
01:54
And you can see it's just a really spectacular extension of the limbs,
25
89000
6000
Това е наистина зрелищно разтягане на крайниците,
02:00
exploding upward to actually just catch
26
95000
3000
експлодиращо нагоре, всъщност само за да хване
02:03
a dead piece of shrimp that I had offered it.
27
98000
2000
парче мъртва скарида, която му предложих.
02:05
Now, the other type of mantis shrimp is the smasher stomatopod,
28
100000
5000
Другият тип рак-богомолка е разбивачът стоматопод -
02:10
and these guys open up snails for a living.
29
105000
3000
прехранват се чрез разбиване на охлюви.
02:13
And so this guy gets the snail all set up and gives it a good whack.
30
108000
5000
И така, този приготвя охлюва и добре го фрасва.
02:18
(Laughter)
31
113000
1000
(Смях)
02:19
So, I'll play it one more time.
32
114000
2000
Ще го пусна още веднъж.
02:21
He wiggles it in place, tugs it with his nose, and smash.
33
116000
4000
Намества го, дръпва го с нос и блъска.
02:25
And a few smashes later, the snail is broken open, and he's got a good dinner.
34
120000
7000
След няколко удара черупката на охлюва е счупена, и той получава добра вечеря.
02:32
So, the smasher raptorial appendage can stab with a point at the end,
35
127000
4000
Израстъкът на разбивача може да пронизва с върха си,
02:36
or it can smash with the heel.
36
131000
2000
или да блъска с петата.
02:38
And today I'll talk about the smashing type of strike.
37
133000
3000
Днес ще говоря за разбиващият тип удар.
02:41
And so the first question that came to mind was,
38
136000
2000
Първият въпрос, който ми хрумна, беше -
02:43
well, how fast does this limb move?
39
138000
3000
колко бързо се движи този крайник?
02:46
Because it's moving pretty darn fast on that video.
40
141000
3000
Защото на онова видео се движи доста бързичко.
02:49
And I immediately came upon a problem.
41
144000
3000
И незабавно се натъкнах на проблем.
02:52
Every single high-speed video system in the biology department
42
147000
3000
Нито една високоскоростна видеосистема в биологичния факултет
02:55
at Berkeley wasn't fast enough to catch this movement.
43
150000
4000
в Бъркли не беше достатъчно бърза, за да хване това движение.
02:59
We simply couldn't capture it on video.
44
154000
2000
Просто не можехме да го заснемем.
03:01
And so this had me stymied for quite a long period of time.
45
156000
3000
Това ме постави в безизходица за дълго.
03:04
And then a BBC crew came cruising through the biology department,
46
159000
3000
И тогава през биологичния факултет мина пътуващ екип на BBC
03:07
looking for a story to do about new technologies in biology.
47
162000
5000
в търсене на история за новите технологии в биологията.
03:12
And so we struck up a deal.
48
167000
2000
И така, сключихме сделка.
03:14
I said, "Well, if you guys rent the high-speed video system
49
169000
2000
Казах: "Ако ни дадете под наем високоскоростната видеосистема,
03:16
that could capture these movements,
50
171000
2000
която би могла да улови тези движения,
03:18
you guys can film us collecting the data."
51
173000
3000
може да ни снимате как събираме данните."
03:21
And believe it or not, they went for it. (Laughter)
52
176000
2000
И, вярвате или не, те се съгласиха.
03:23
So we got this incredible video system. It's very new technology --
53
178000
4000
Получихме тази невероятна видеосистема. Съвсем нова технология...
03:27
it just came out about a year ago --
54
182000
2000
тъкмо излезе преди около година...
03:29
that allows you to film at extremely high speeds in low light.
55
184000
5000
която позволява зансемането при изключително високи скорости на слаба светлина.
03:34
And low light is a critical issue with filming animals,
56
189000
2000
А слабата светлина е от критична важност при снимане на животни,
03:36
because if it's too high, you fry them. (Laughter)
57
191000
3000
защото, ако е твърде силна, се изпържват.
03:39
So this is a mantis shrimp. There are the eyes up here,
58
194000
5000
Това е рак-богомолка. Това там горе са очите,
03:44
and there's that raptorial appendage, and there's the heel.
59
199000
3000
ето го онзи хищен израстък, а това е петата.
03:47
And that thing's going to swing around and smash the snail.
60
202000
3000
Това нещо ще се люшне и ще блъсне охлюва.
03:50
And the snail's wired to a stick,
61
205000
1000
А охлювът е закрепен към пръчка,
03:51
so he's a little bit easier to set up the shot. And -- yeah.
62
206000
4000
така че е малко по-лесно да се насочи ударът. И... да.
03:55
(Laughter)
63
210000
2000
(Смях)
03:57
I hope there aren't any snail rights activists around here.
64
212000
3000
Надявам се наоколо да няма активисти за правата на охлювите.
04:00
(Laughter)
65
215000
2000
(Смях)
04:02
So this was filmed at 5,000 frames per second,
66
217000
5000
Това беше заснето при 5000 кадъра в секунда,
04:07
and I'm playing it back at 15. And so this is slowed down 333 times.
67
222000
5000
а аз го пускам на 15 кадъра. Така че е забавено 333 пъти.
04:12
And as you'll notice, it's still pretty gosh darn fast
68
227000
3000
Както ще забележите, все пак е дяволски бързо,
04:15
slowed down 333 times. It's an incredibly powerful movement.
69
230000
4000
забавено 333 пъти. Невероятно мощно движение.
04:19
The whole limb extends out. The body flexes backwards --
70
234000
3000
Целият крайник се протяга навън. Тялото се огъва назад...
04:22
just a spectacular movement.
71
237000
3000
просто зрелищно движение.
04:25
And so what we did is, we took a look at these videos,
72
240000
2000
Погледнахме тези видеоматериали
04:27
and we measured how fast the limb was moving
73
242000
2000
и измерихме колко бързо се е движил крайникът,
04:29
to get back to that original question.
74
244000
2000
за да се върнем към онзи първоначален въпрос.
04:31
And we were in for our first surprise.
75
246000
3000
Очакваше ни първата изненада.
04:34
So what we calculated was that the limbs were moving
76
249000
3000
Изчислихме, че крайниците са се движили
04:37
at the peak speed ranging from 10 meters per second
77
252000
2000
при най-висока скорост, варираща от 10 метра в секунда
04:39
all the way up to 23 meters per second.
78
254000
2000
чак до 23 метра в секунда.
04:41
And for those of you who prefer miles per hour,
79
256000
2000
А за онези от вас, които предпочитат мили в час,
04:43
that's over 45 miles per hour in water. And this is really darn fast.
80
258000
5000
това са над 45 мили в час във вода. А това наистина е дяволски бързо.
04:48
In fact, it's so fast we were able to add a new point
81
263000
4000
Всъщност, толкова бързо, че успяхме да добавим нова точка
04:52
on the extreme animal movement spectrum.
82
267000
3000
в спектъра на екстремното животинско движение.
04:55
And mantis shrimp are officially the fastest measured feeding strike
83
270000
3000
Раците-богомолки имат официално най-бързия измерен хранителен удар
04:58
of any animal system. So our first surprise.
84
273000
4000
в която и да било животинска система. Първата ни изненада.
05:02
(Applause)
85
277000
1000
(Аплодисменти)
05:03
So that was really cool and very unexpected.
86
278000
3000
Това беше наистина страхотно и много неочаквано.
05:06
So, you might be wondering, well, how do they do it?
87
281000
3000
Може би се чудите: ами как го правят?
05:09
And actually, this work was done in the 1960s
88
284000
3000
Всъщност този труд е от 60-те години на ХХ век
05:12
by a famous biologist named Malcolm Burrows.
89
287000
2000
на един известен биолог, Малкълм Бъроус.
05:14
And what he showed in mantis shrimp is that they use
90
289000
3000
Той показал, че раците-богомолки използват
05:17
what's called a "catch mechanism," or "click mechanism."
91
292000
3000
нещо, наречено хващателен механизъм, или щракащ механизъм.
05:20
And what this basically consists of is a large muscle
92
295000
4000
Основно той се състои от един голям мускул,
05:24
that takes a good long time to contract,
93
299000
2000
за чието свиване е нужно доста дълго време,
05:26
and a latch that prevents anything from moving.
94
301000
3000
и резе, което пречи на движението на каквото и да било.
05:29
So the muscle contracts, and nothing happens.
95
304000
2000
Мускулът се свива, и нищо не се случва.
05:31
And once the muscle's contracted completely, everything's stored up --
96
306000
3000
А щом мускулът се свие напълно, всичко е съхранено,
05:34
the latch flies upward, and you've got the movement.
97
309000
4000
резето излита нагоре, и има движение.
05:38
And that's basically what's called a "power amplification system."
98
313000
3000
А това се нарича система за усилване на мощността.
05:41
It takes a long time for the muscle to contract,
99
316000
2000
На мускула е нужно дълго време, за да се свие,
05:43
and a very short time for the limb to fly out.
100
318000
2000
а на крайника - много кратко време, за да излети.
05:45
And so I thought that this was sort of the end of the story.
101
320000
3000
Затова реших, че това е един вид краят на историята.
05:48
This was how mantis shrimps make these very fast strikes.
102
323000
4000
Ето как раците-богомолки правят тези много бързи удари.
05:52
But then I took a trip to the National Museum of Natural History.
103
327000
4000
Но после отидох до Националния музей по естествена история.
05:56
And if any of you ever have a chance,
104
331000
2000
А ако някой от вас има възможност да отиде там,
05:58
backstage of the National Museum of Natural History
105
333000
2000
зад кулисите на Националния музей по естествена история ще види
06:00
is one of the world's best collections of preserved mantis shrimp. And what --
106
335000
4000
една от най-добрите колекции в света от препарирани раци-богомолки.
06:04
(Laughter)
107
339000
1000
(Смях)
06:05
this is serious business for me.
108
340000
2000
Това е сериозна работа за мен.
06:07
(Laughter)
109
342000
1000
(Смях)
06:08
So, this -- what I saw, on every single mantis shrimp limb,
110
343000
5000
Видях, че върху всеки крайник на рак-богомолка,
06:13
whether it's a spearer or a smasher,
111
348000
2000
независимо дали е копиеносец или разбивач,
06:15
is a beautiful saddle-shaped structure
112
350000
2000
има една красива структура със седловидна форма
06:17
right on the top surface of the limb. And you can see it right here.
113
352000
4000
точно върху горната част на крайника. Виждате я точно тук.
06:21
It just looks like a saddle you'd put on a horse.
114
356000
2000
Прилича на седло, което бихте поставили върху кон.
06:23
It's a very beautiful structure.
115
358000
2000
Много красива структура.
06:25
And it's surrounded by membranous areas. And those membranous areas
116
360000
5000
Заобиколена е от мембранни области. А тези мембранни области
06:30
suggested to me that maybe this is some kind of dynamically flexible structure.
117
365000
4000
ми подсказаха, че може би това е някакъв вид динамично гъвкава структура.
06:34
And this really sort of had me scratching my head for a while.
118
369000
3000
А това наистина ме накара известно време да си почесвам главата.
06:37
And then we did a series of calculations, and what we were able to show
119
372000
4000
Тогава направихме серия изчисления и успяхме да покажем,
06:41
is that these mantis shrimp have to have a spring.
120
376000
4000
че тези раци-богомолки трябва да имат пружина.
06:45
There needs to be some kind of spring-loaded mechanism
121
380000
3000
Трябва да има някакъв вид зареден с пружина механизъм,
06:48
in order to generate the amount of force that we observe,
122
383000
2000
за да се генерира количеството сила, което наблюдаваме,
06:50
and the speed that we observe, and the output of the system.
123
385000
3000
скоростта, която наблюдаваме, и резултатът от системата.
06:53
So we thought, OK, this must be a spring --
124
388000
3000
Затова си помислихме - добре, това трябва да е пружина...
06:56
the saddle could very well be a spring.
125
391000
2000
седлото спокойно би могло да е пружина.
06:58
And we went back to those high-speed videos again,
126
393000
2000
Върнахме се отново към онези високоскоростни видеоматериали
07:00
and we could actually visualize the saddle compressing and extending.
127
395000
6000
и всъщност успяхме да визуализираме компресирането и разтягането на седлото.
07:06
And I'll just do that one more time.
128
401000
3000
Ще го направя само още веднъж.
07:09
And then if you take a look at the video --
129
404000
2000
А после, ако погледнете видеото...
07:11
it's a little bit hard to see -- it's outlined in yellow.
130
406000
2000
малко трудно се вижда... очертано е в жълто.
07:13
The saddle is outlined in yellow. You can actually see it
131
408000
2000
Седлото е очертано в жълто. Всъщност може да се види
07:15
extending over the course of the strike, and actually hyperextending.
132
410000
4000
как то се протяга над курса на удара, хиперразтягане всъщност.
07:19
So, we've had very solid evidence showing
133
414000
2000
Така че имахме много солидни доказателства, показващи,
07:21
that that saddle-shaped structure actually compresses and extends,
134
416000
4000
че тази седловидна структура наистина се сгъва и разтяга
07:25
and does, in fact, function as a spring.
135
420000
2000
и всъщност функционира като пружина.
07:27
The saddle-shaped structure is also known as a "hyperbolic paraboloid surface,"
136
422000
5000
Седловидната структура е позната също като хиперболична параболоидна повърхност,
07:32
or an "anticlastic surface."
137
427000
2000
или антикластична повърхност.
07:34
And this is very well known to engineers and architects,
138
429000
2000
И това е много добре известно на инженерите и архитектите,
07:36
because it's a very strong surface in compression.
139
431000
3000
защото е много силна повърхност при компресия.
07:39
It has curves in two directions,
140
434000
2000
Тя има извивки в две посоки,
07:41
one curve upward and opposite transverse curve down the other,
141
436000
3000
една крива нагоре и противоположна напречна крива в другата,
07:44
so any kind of perturbation spreads the forces
142
439000
3000
така че всякакво смущение разпределя силите
07:47
over the surface of this type of shape.
143
442000
3000
по повърхността на този тип форма.
07:50
So it's very well known to engineers, not as well known to biologists.
144
445000
4000
Това е много добре известно на инженерите и не толкова добре известно на биолозите.
07:54
It's also known to quite a few people who make jewelry,
145
449000
4000
Известно е също на твърде малко хора, които изработват бижутерия,
07:58
because it requires very little material
146
453000
3000
тъй като изисква много малко материал
08:01
to build this type of surface, and it's very strong.
147
456000
3000
да се изгради този тип повърхност, а тя е много яка.
08:04
So if you're going to build a thin gold structure,
148
459000
2000
Така че, ако ще изграждате тънка златна структура,
08:06
it's very nice to have it in a shape that's strong.
149
461000
2000
е много добре да се направи във форма, която е яка.
08:08
Now, it's also known to architects. One of the most famous architects
150
463000
5000
Известно е също на архитектите. Един от най-прочутите архитекти
08:13
is Eduardo Catalano, who popularized this structure.
151
468000
3000
е Едуардо Каталано, който популяризира тази структура.
08:16
And what's shown here is a saddle-shaped roof that he built
152
471000
3000
Онова, което е показано тук, е седловиден покрив, който построил,
08:19
that's 87 and a half feet spanwise.
153
474000
4000
това е 87 фута и половина в обхват.
08:23
It's two and a half inches thick, and supported at two points.
154
478000
3000
Дебелината е два инча и половина и се поддържа в две точки.
08:26
And one of the reasons why he designed roofs this way is because it's --
155
481000
5000
Една от причините той да проектира покриви по този начин, е, понеже...
08:31
he found it fascinating that you could build such a strong structure
156
486000
4000
смятал за пленително, че може да се построи толкова яка структура,
08:35
that's made of so few materials and can be supported by so few points.
157
490000
4000
направена от толкова малко материали, която може да се поддържа в толкова малко точки.
08:39
And all of these are the same principles that apply
158
494000
4000
Това са същите принципи, които се прилагат
08:43
to the saddle-shaped spring in stomatopods.
159
498000
2000
към седловидната пружина при стоматоподите.
08:45
In biological systems it's important not to have a whole lot
160
500000
3000
В биологичните системи е важно да няма цял куп
08:48
of extra material requirements for building it.
161
503000
3000
допълнителни изисквания за материал за изграждането им.
08:51
So, very interesting parallels between the biological
162
506000
3000
Много интересни паралели между биологичния
08:54
and the engineering worlds. And interestingly, this turns out --
163
509000
4000
и инженерния свят. Интересно, това се оказва...
08:58
the stomatopod saddle turns out to be the first
164
513000
2000
стоматоподното седло се оказва първата
09:00
described biological hyperbolic paraboloid spring.
165
515000
3000
описана биологична хиперболична параболоидна пружина.
09:03
That's a bit long, but it is sort of interesting.
166
518000
3000
Малко е дълго, но е някак интересно.
09:06
So the next and final question was, well, how much force
167
521000
3000
Следващият и последен въпрос беше - а колко сила
09:09
does a mantis shrimp produce if they're able to break open snails?
168
524000
4000
произвежда един рак-богомолка, щом може да чупи и отваря охлюви?
09:13
And so I wired up what's called a load cell.
169
528000
2000
Прикачих нещо, което се нарича зарядна клетка.
09:15
A load cell measures forces, and this is actually
170
530000
2000
Зарядната клетка измерва сили, а това всъщност
09:17
a piezoelectronic load cell that has a little crystal in it.
171
532000
3000
е пиезоелектронна зарядна клетка, в която има малък кристал.
09:20
And when this crystal is squeezed, the electrical properties change
172
535000
4000
Когато този кристал се притисне, електрическите свойства се променят
09:24
and it -- which -- in proportion to the forces that go in.
173
539000
2000
пропорционално на силите, които влизат.
09:26
So these animals are wonderfully aggressive,
174
541000
3000
Тези животни са изключително агресивни
09:29
and are really hungry all the time. And so all I had to do
175
544000
3000
и постоянно са много гладни. Затова трябва само
09:32
was actually put a little shrimp paste on the front of the load cell,
176
547000
3000
да сложа малко скаридова паста отпред на горивната клетка,
09:35
and they'd smash away at it.
177
550000
2000
и те започват да блъскат.
09:37
And so this is just a regular video of the animal
178
552000
4000
Това е просто обикновено видео на животното,
09:41
just smashing the heck out of this load cell.
179
556000
3000
блъскащо в захлас по тази зарядна клетка.
09:44
And we were able to get some force measurements out.
180
559000
3000
Успяхме да направим някои силови измервания.
09:47
And again, we were in for a surprise.
181
562000
2000
И отново ни чакаше изненада.
09:49
I purchased a 100-pound load cell, thinking,
182
564000
2000
Купих 100-паундова зарядна клетка, като мислех,
09:51
no animal could produce more than 100 pounds at this size of an animal.
183
566000
4000
че никое животно с такъв размер не би могло да произведе повече от 100 паунда.
09:55
And what do you know? They immediately overloaded the load cell.
184
570000
2000
Учудващо, те незабавно претовариха зарядната клетка.
09:57
So these are actually some old data
185
572000
2000
Това всъщност са някои стари данни,
09:59
where I had to find the smallest animals in the lab,
186
574000
2000
при които трябваше да намеря най-малките животни в лабораторията
10:01
and we were able to measure forces of well over 100 pounds
187
576000
3000
и успяхме да измерим сили от доста над 100 паунда,
10:04
generated by an animal about this big.
188
579000
3000
генерирани от животно с приблизително такъв размер.
10:07
And actually, just last week I got a 300-pound load cell
189
582000
2000
Всъщност едва миналата седмица взех 300-паундова зарядна клетка,
10:09
up and running, and I've clocked these animals generating
190
584000
3000
вкарах я в действие и засякох тези животни да генерират
10:12
well over 200 pounds of force.
191
587000
2000
доста над 200 паунда сила.
10:14
And again, I think this will be a world record.
192
589000
3000
И отново, мисля, че това ще бъде световен рекорд.
10:17
I have to do a little bit more background reading,
193
592000
2000
Трябва да почета още малко фонов материал,
10:19
but I think this will be the largest amount of force produced
194
594000
3000
но мисля, че това ще бъде най-голямото количество сила,
10:22
by an animal of a given -- per body mass. So, really incredible forces.
195
597000
5000
произведена от животно спрямо телесна маса. Наистина невероятни сили.
10:27
And again, that brings us back to the importance of that spring
196
602000
3000
И това отново ни връща към важността на онази пружина
10:30
in storing up and releasing so much energy in this system.
197
605000
4000
при съхраняване и освобождаване на толкова много енергия в тази система.
10:34
But that was not the end of the story.
198
609000
2000
Но това не беше краят на историята.
10:36
Now, things -- I'm making this sound very easy, this is actually a lot of work.
199
611000
3000
Звучи много просто, но всъщност е много работа.
10:39
And I got all these force measurements,
200
614000
2000
Взех всички тези силови измервания,
10:41
and then I went and looked at the force output of the system.
201
616000
4000
а после отидох и разгледах силовата производителност на системата.
10:45
And this is just very simple -- time is on the X-axis
202
620000
3000
Това е много просто... времето е по оста Х,
10:48
and the force is on the Y-axis. And you can see two peaks.
203
623000
3000
а силата е по оста Y. Виждате два пика.
10:51
And that was what really got me puzzled.
204
626000
4000
А това всъщност ме озадачи.
10:55
The first peak, obviously, is the limb hitting the load cell.
205
630000
3000
Първият пик, очевидно, е крайникът, удрящ зарядната клетка.
10:58
But there's a really large second peak half a millisecond later,
206
633000
6000
Но всъщност има голям втори пик половин милисекунда по-късно
11:04
and I didn't know what that was.
207
639000
2000
и не знаех какво е това.
11:06
So now, you'd expect a second peak for other reasons,
208
641000
3000
Би могло да се очаква втори пик по други причини,
11:09
but not half a millisecond later.
209
644000
2000
но не половин милисекунда по-късно.
11:11
Again, going back to those high-speed videos,
210
646000
2000
Отново, като се връщаме на онези високоскоростни видеоматериали,
11:13
there's a pretty good hint of what might be going on.
211
648000
4000
има доста добър намек за това какво може да става.
11:17
Here's that same orientation that we saw earlier.
212
652000
2000
Ето същата ориентация, която видяхме по-рано.
11:19
There's that raptorial appendage -- there's the heel,
213
654000
3000
Това е онзи граблив израстък... ето я петата,
11:22
and it's going to swing around and hit the load cell.
214
657000
3000
тя ще се люшне и ще удари зарядната клетка.
11:25
And what I'd like you to do in this shot is keep your eye on this,
215
660000
3000
Искам да се загледате в този кадър,
11:28
on the surface of the load cell, as the limb comes flying through.
216
663000
5000
върху повърхността на зарядната клетка, докато крайникът излита навън.
11:33
And I hope what you are able to see is actually a flash of light.
217
668000
5000
Надявам се, можете да видите, че това всъщност е проблясък от светлина.
11:38
Audience: Wow.
218
673000
2000
Публика: Уау.
11:40
Sheila Patek: And so if we just take that one frame, what you can actually see there
219
675000
4000
Шийла Патек: И така, ако просто вземем този единствен кадър, онова, което всъщност виждате там,
11:44
at the end of that yellow arrow is a vapor bubble.
220
679000
3000
в края на тази жълта стрелка, е мехур пара.
11:47
And what that is, is cavitation.
221
682000
2000
А това е кавитация.
11:49
And cavitation is an extremely potent fluid dynamic phenomenon
222
684000
4000
Кавитацията е изключително мощен феномен на флуидната динамика,
11:53
which occurs when you have areas of water
223
688000
3000
който се случва, когато има зони с вода,
11:56
moving at extremely different speeds.
224
691000
2000
движещи се при изключително различни скорости.
11:58
And when this happens, it can cause areas of very low pressure,
225
693000
4000
Когато това се случи, може да се получат зони с много ниско налягане,
12:02
which results in the water literally vaporizing.
226
697000
3000
в резултат на което водата буквално се изпарява.
12:05
And when that vapor bubble collapses, it emits sound, light and heat,
227
700000
4000
А когато този парен мехур се спука, излъчва звук, светлина и топлина
12:09
and it's a very destructive process.
228
704000
2000
и е силно унищожителен процес.
12:11
And so here it is in the stomatopod. And again, this is a situation
229
706000
5000
И така, ето го в стоматопода. Отново, това е ситуация,
12:16
where engineers are very familiar with this phenomenon,
230
711000
3000
при която инженерите са твърде запознати с този феномен,
12:19
because it destroys boat propellers.
231
714000
2000
защото той унищожава корабни витла.
12:21
People have been struggling for years to try and design
232
716000
3000
Хората са се борили с години в опити да проектират
12:24
a very fast rotating boat propeller that doesn't cavitate
233
719000
4000
много бързо въртящо се корабно витло, което не кавитира
12:28
and literally wear away the metal and put holes in it,
234
723000
2000
и буквално да износват метала и да го дупчат,
12:30
just like these pictures show.
235
725000
2000
както показват тези снимки.
12:32
So this is a potent force in fluid systems, and just to sort of take it one step further,
236
727000
9000
Това е мощна сила във флуидните системи, и сега
12:41
I'm going to show you the mantis shrimp approaching the snail.
237
736000
3000
ще ви покажа ракът-богомолка, приближаващ се към охлюва.
12:44
This is taken at 20,000 frames per second, and I have to give
238
739000
4000
Това е заснето при 20 000 кадъра в секунда, благодарение на
12:48
full credit to the BBC cameraman, Tim Green, for setting this shot up,
239
743000
4000
оператора на BBC, Тим Грийн, който настрои този кадър,
12:52
because I could never have done this in a million years --
240
747000
3000
защото аз не бих могла да го сторя и за милион години.
12:55
one of the benefits of working with professional cameramen.
241
750000
3000
Едно от предимствата да се работи с професионални оператори.
12:58
You can see it coming in, and an incredible flash of light,
242
753000
4000
Може да го видите как влиза, и невероятен проблясък на светлина,
13:02
and all this cavitation spreading over the surface of the snail.
243
757000
4000
и цялата тази кавитация се разстила над повърхността на охлюва.
13:06
So really, just an amazing image,
244
761000
3000
Наистина, просто изумителна гледка,
13:09
slowed down extremely, to extremely slow speeds.
245
764000
4000
невероятно забавена, до изключително ниски скорости.
13:13
And again, we can see it in slightly different form there,
246
768000
3000
И отново, може да го видим тук в малко по-различна форма,
13:16
with the bubble forming and collapsing between those two surfaces.
247
771000
4000
този мехур се формира и пука между тези две повърхности.
13:20
In fact, you might have even seen some cavitation going up the edge of the limb.
248
775000
5000
Всъщност може дори да сте видели малко кавитация да се издига по ръба на крайника.
13:25
So to solve this quandary of the two force peaks:
249
780000
3000
За да разреша това затруднение с двата силови пика:
13:28
what I think was going on is: that first impact is actually
250
783000
2000
онова, което според мен става, е, че първият удар
13:30
the limb hitting the load cell, and the second impact is actually
251
785000
3000
е удар на крайника в зарядната клетка, а вторият удар
13:33
the collapse of the cavitation bubble.
252
788000
2000
всъщност е пукането на кавитационния мехур.
13:35
And these animals may very well be making use of
253
790000
3000
Тези животни спокойно може да използват
13:38
not only the force and the energy stored with that specialized spring,
254
793000
4000
не само силата и енергията, съхранявана в тази специализирана пружина,
13:42
but the extremes of the fluid dynamics. And they might actually be
255
797000
4000
но и крайностите на флуидната динамика. И всъщност може
13:46
making use of fluid dynamics as a second force for breaking the snail.
256
801000
4000
да използват флуидната динамика като втора сила за счупване на охлюва.
13:50
So, really fascinating double whammy, so to speak, from these animals.
257
805000
6000
Наистина смайващ двоен удар, така да се каже, от тези животни.
13:56
So, one question I often get after this talk --
258
811000
2000
Един въпрос, който често ми задават след този разговор...
13:58
so I figured I'd answer it now -- is, well, what happens to the animal?
259
813000
3000
Ами какво се случва с животното?
14:01
Because obviously, if it's breaking snails,
260
816000
3000
Защото, очевидно, ако то чупи охлюви,
14:04
the poor limb must be disintegrating. And indeed it does.
261
819000
3000
горкият крайник трябва да се разпада. И наистина е така.
14:07
That's the smashing part of the heel on both these images,
262
822000
3000
Това е блъскащата част от петата и на двете изображения,
14:10
and it gets worn away. In fact, I've seen them wear away
263
825000
2000
и тя се износва. Всъщност съм ги виждала да износват
14:12
their heel all the way to the flesh.
264
827000
2000
петата си чак до плътта.
14:14
But one of the convenient things about being an arthropod
265
829000
3000
Но едно от удобните неща в това да си антропод е,
14:17
is that you have to molt. And every three months or so
266
832000
3000
че трябва да правиш смяна. Горе-долу на всеки три месеца
14:20
these animals molt, and they build a new limb and it's no problem.
267
835000
5000
тези животни изграждат нов крайник и това не е проблем.
14:25
Very, very convenient solution to that particular problem.
268
840000
4000
Много, много удобно решение на този проблем.
14:29
So, I'd like to end on sort of a wacky note.
269
844000
5000
Бих искала да привърша малко смахнато.
14:34
(Laughter)
270
849000
3000
(Смях)
14:37
Maybe this is all wacky to folks like you, I don't know.
271
852000
4000
Може би за хора като вас всичко това е смахнато, не знам.
14:41
(Laughter)
272
856000
1000
(Смях)
14:42
So, the saddles -- that saddle-shaped spring --
273
857000
3000
Значи, седлата... онази пружина с форма на седло...
14:45
has actually been well known to biologists for a long time,
274
860000
4000
всъщност отдавна са добре познати на биолозите,
14:49
not as a spring but as a visual signal.
275
864000
4000
не като пружина, а като визуален сигнал.
14:53
And there's actually a spectacular colored dot
276
868000
2000
Всъщност има една впечатляваща цветна точка
14:55
in the center of the saddles of many species of stomatopods.
277
870000
6000
в центъра на седлата на много видове стоматоподи.
15:01
And this is quite interesting, to find evolutionary origins
278
876000
3000
Това е доста интересно, да се намери еволюционен произход
15:04
of visual signals on what's really, in all species, their spring.
279
879000
6000
на визуални сигнали върху онова, което всъщност, при всички видове, е тяхната пружина.
15:10
And I think one explanation for this could be
280
885000
2000
Мисля, че едно обяснение за това би могло да бъде
15:12
going back to the molting phenomenon.
281
887000
2000
завръщането към феномена на смяната.
15:14
So these animals go into a molting period where they're
282
889000
3000
Тези животни навлизат в период на смяна,
15:17
unable to strike -- their bodies become very soft.
283
892000
3000
при който са неспособни на удар... телата им стават много меки.
15:20
And they're literally unable to strike or they will self-destruct.
284
895000
3000
И са буквално неспособни да удрят, или ще се самоунищожат.
15:23
This is for real. And what they do is, up until that time period
285
898000
7000
Наистина. Онова, което правят, е, до този период от време,
15:30
when they can't strike, they become really obnoxious and awful,
286
905000
3000
когато не могат да удрят, стават наистина противни и ужасни
15:33
and they strike everything in sight; it doesn't matter who or what.
287
908000
4000
и удрят всичко наоколо, няма значение кого или какво.
15:37
And the second they get into that time point when they can't strike any more,
288
912000
4000
И, второ, влизат в този момент от времето, когато вече не могат да удрят,
15:41
they just signal. They wave their legs around.
289
916000
3000
само сигнализират. Размахват си краката наоколо.
15:44
And it's one of the classic examples in animal behavior of bluffing.
290
919000
4000
И това е един от класическите примери за блъфиране в животинското поведение.
15:48
It's a well-established fact of these animals
291
923000
2000
Добре установен факт за тези животни е,
15:50
that they actually bluff. They can't actually strike, but they pretend to.
292
925000
4000
че те наистина могат да блъфират. Всъщност не могат да удрят, но се преструват.
15:54
And so I'm very curious about whether those colored dots
293
929000
2000
Затова съм много любопитна дали онези цветни точки
15:56
in the center of the saddles are conveying some kind of information
294
931000
4000
в центъра на седлата предават някакъв вид информация
16:00
about their ability to strike, or their strike force,
295
935000
3000
за способността им да удрят, или силата на удара им
16:03
and something about the time period in the molting cycle.
296
938000
3000
и нещо за времевия период в цикъла на смяна.
16:06
So sort of an interesting strange fact to find a visual structure
297
941000
5000
Някак интересен странен факт за откриване на визулана структура
16:11
right in the middle of their spring.
298
946000
3000
точно посред скока им.
16:14
So to conclude, I mostly want to acknowledge my two collaborators,
299
949000
5000
В заключение, искам най-вече да изразя признателност към двамата си сътрудници,
16:19
Wyatt Korff and Roy Caldwell, who worked closely with me on this.
300
954000
3000
Уайът Корф и Рой Колдуел, които работиха плътно с мен по това.
16:22
And also the Miller Institute for Basic Research in Science,
301
957000
3000
Както и институтът "Miller" за основни научни изследвания,
16:25
which gave me three years of funding to just do science all the time,
302
960000
4000
който ми даде три години финансиране, просто за да се занимавам през цялото време с наука,
16:29
and for that I'm very grateful. Thank you very much.
303
964000
3000
за което съм много благодарна. Много благодаря.
16:32
(Applause)
304
967000
1000
(Аплодисменти)
ABOUT THE SPEAKER
Sheila Patek - Biologist, biomechanics researcherBiologist Sheila Patek is addicted to speed -- animal speed. She's measured the fastest animal movements in the world, made by snail-smashing mantis shrimp and the snapping mandibles of trap-jaw ants.
Why you should listen
Sheila Patek, a UC Berkeley biologist, made a name for herself by measuring the hyperfast movements of snail-smashing mantis shrimp heels and bug-snapping ant jaws, using high-speed video cameras recording at up to 20,000 frames per second. In 2004, she and her team showed that peacock mantis shrimp had the fastest feeding strike in the animal kingdom, and that they are the only known animal to store energy in a hyperbolic paraboloid, a super-strong Pringles-shaped structure more often found in modern architecture.
Then in 2006, she and her team announced that trap-jaw ants had stolen the title of fastest striker from the mantis shrimp, when their research measured the ants' snapping jaws at an awesome 78 to 145 miles per hour, accelerating at 100,000 times the force of gravity. Patek's previous research focused on the sounds made by spiny lobsters, discovering that they used a mechanism similar to a violin. In 2004, she was named one of Popular Science magazine's "Brilliant 10." The Patek Lab at University of Massachusetts Amherst, where Patek is the principal investigator, continues to explore evolutionary questions through the integration of physiology, biomechanics, evolutionary analysis and animal behavior.
Sheila Patek | Speaker | TED.com