TED2004
Sheila Patek: The shrimp with a kick!
Sheila Patek cronometra gli animali più veloci.
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La biologa Sheila Patek parla delle sue ricerche sulla misura della stomopoda, uno dei movimenti più veloci tra quelli possibili nel regno animale, usando una video camera capace di riprendere 20000 fotogrammi al secondo.
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.
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If you'd like to learn how to play the lobster, we have some here.
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3000
Se vi interessa sapere come si può suonare un'aragosta, qui ne abbiamo qualcuna.
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And that's not a joke, we really do.
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3000
2000
No no, non è uno scherzo, le abbiamo per davvero.
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So come up afterwards and I'll show you how to play a lobster.
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5000
3000
Dopo venite pure qui, e vi mostrerò come si fa a suonarle
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So, actually, I started working on what's called the mantis shrimp
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8000
4000
A dirla tutta ho iniziato a lavorare con dei crostaci, le mantidi di mare,
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a few years ago because they make sound.
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12000
3000
un paio di anni fa, perché producono suono.
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This is a recording I made of a mantis shrimp
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2000
Ed ecco una registrazione di una mantide di mare,
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that's found off the coast of California.
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17000
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l'avevo trovata lungo le coste della California.
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And while that's an absolutely fascinating sound,
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30000
3000
E' davvero un suono affascinante,
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it actually turns out to be a very difficult project.
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33000
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ma il progetto che ne è nato è stato a dir poco difficoltoso.
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And while I was struggling to figure out how and why mantis shrimp,
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36000
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E mentre mi spremevo le meningi per capire come e perché le mantidi di mare,
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or stomatopods, make sound, I started to think about their appendages.
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4000
o stomatopodi, producono suono, sono finita a concentrarmi sulle loro appendici.
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And mantis shrimp are called "mantis shrimp" after the praying mantises,
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Vengono chiamate mantidi di mare perché assomigliano alle mantidi,
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which also have a fast feeding appendage. And I started to think,
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48000
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che hanno delle appendici alimentari velocissime. Così ho iniziato a pensare che,
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well, maybe it will be interesting, while listening to their sounds,
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beh, magari poteva essere interessante, mentre ascoltavo il suono che producevano,
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to figure out how these animals generate very fast feeding strikes.
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55000
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riuscire anche ad immaginare come questi animali riescano a scattare verso il cibo così velocemente.
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And so today I'll talk about the extreme stomatopod strike,
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4000
Quindi, oggi vi parlerò degli attacchi degli stomatopodi,
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work that I've done in collaboration with Wyatt Korff and Roy Caldwell.
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62000
3000
e questa ricerca è nata dalla collaborazione con Wyatt Korff e Roy Caldwell.
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So, mantis shrimp come in two varieties:
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Dunque, esistono due varietà di mantidi di mare:
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there are spearers and smashers.
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68000
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le lanciatrici e le trituratrici.
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And this is a spearing mantis shrimp, or stomatopod.
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Ecco una mantide di mare lanciatrice, o stomatopode propriamente detto.
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And he lives in the sand, and he catches things that go by overhead.
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73000
5000
Di solito vivono nella sabbia, pronti a cacciare il cibo che passano sopra la testa.
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So, a quick strike like that. And if we slow it down a bit,
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Con un colpo come questo. E se rallentiamo anche solo di poco,
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this is the mantis shrimp -- the same species --
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ecco la mantide di mare,,,sempre della stessa specie...
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recorded at 1,000 frames a second,
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registrata a 1000 fotogrammi al secondo
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played back at 15 frames per second.
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87000
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ed eccola qui a 15 fotogrammi al secondo.
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And you can see it's just a really spectacular extension of the limbs,
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89000
6000
Come potete vedere, si tratta di una estensione spettacolare delle membra
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exploding upward to actually just catch
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95000
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verso l'alto, per arrivare a prendere
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a dead piece of shrimp that I had offered it.
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98000
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un pezzetto di gambero che le avevo offerto.
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Now, the other type of mantis shrimp is the smasher stomatopod,
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Ora, il secondo tipo di mantide di mare è lo stomatopode trituratore,
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and these guys open up snails for a living.
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105000
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e questo piccolino sopravvive aprendo le lumache.
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And so this guy gets the snail all set up and gives it a good whack.
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108000
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Quello che fa è bloccare la lumaca e assestarle il colpo di grazia.
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(Laughter)
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113000
1000
(Risate)
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So, I'll play it one more time.
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114000
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Bene, rivediamolo.
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He wiggles it in place, tugs it with his nose, and smash.
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116000
4000
La scuote, poi la strattona con il muso, e alla fine la colpisce.
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And a few smashes later, the snail is broken open, and he's got a good dinner.
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120000
7000
Un paio di colpi più tardi, la lumaca ha il guscio completamente aperto, e il nostro amico può gustarsi la sua cena.
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So, the smasher raptorial appendage can stab with a point at the end,
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127000
4000
Quindi, l'appendice può conficcarsi in un unico punto alla fine,
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or it can smash with the heel.
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131000
2000
oppure può uccidere usando il tallone.
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And today I'll talk about the smashing type of strike.
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133000
3000
Quello di cui vorrei parlare oggi è proprio l'attacco del trituratore.
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And so the first question that came to mind was,
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136000
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Quindi, la prima domanda che mi saltò in testa è stata:
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well, how fast does this limb move?
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138000
3000
a quale velocità si muoveranno mai queste membra?
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Because it's moving pretty darn fast on that video.
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141000
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Perché l'avete visto anche voi dal video, sono dannatamente veloci.
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And I immediately came upon a problem.
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144000
3000
Immediatamente mi sono posta anche un altro problema:
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Every single high-speed video system in the biology department
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147000
3000
nessun sistema video ad alta velocità dell'intero dipartimento di biologia
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at Berkeley wasn't fast enough to catch this movement.
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150000
4000
di Berkley era abbastanza veloce da catturare un simile movimento.
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We simply couldn't capture it on video.
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154000
2000
Era semplice: non eravamo in grado di catturare quell'attimo in un video.
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And so this had me stymied for quite a long period of time.
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156000
3000
Per tanto tempo mi sono sentita frustrata per questo,
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And then a BBC crew came cruising through the biology department,
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159000
3000
ma alla fine al dipartimento di biologia è arrivata una troupe della BBC a passo di danza,
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looking for a story to do about new technologies in biology.
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162000
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cercando una storia che avesse a che fare con l'uso delle nuove tecnologie in biologia.
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And so we struck up a deal.
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167000
2000
Ed è stato così che abbiamo stretto un patto.
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I said, "Well, if you guys rent the high-speed video system
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169000
2000
Ho detto, "bene, ragazzi, se avete l'attrezzatura video necessaria
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that could capture these movements,
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171000
2000
a catturare questi movimenti,
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you guys can film us collecting the data."
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173000
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potrete filmarci voi, e raccogliere tutti i dati che vorrete".
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And believe it or not, they went for it. (Laughter)
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176000
2000
Siete liberi di non crederci, ma hanno accettato.
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So we got this incredible video system. It's very new technology --
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178000
4000
Ed è stato così che abbiamo potuto utilizzare questo incredibile sistema video. E' nuova tecnologia che più nuova non si può...
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it just came out about a year ago --
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182000
2000
è stata messa a punto circa un anno fa...
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that allows you to film at extremely high speeds in low light.
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184000
5000
e permette di fare registrazioni ad altissima velocità nonostante una luce soffusa.
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And low light is a critical issue with filming animals,
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189000
2000
Mantenere una luce soffusa è indispensabile mentre si filmano gli animali
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because if it's too high, you fry them. (Laughter)
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191000
3000
perché, se fosse stata troppo forte, avremmo finito col friggerli.
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So this is a mantis shrimp. There are the eyes up here,
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194000
5000
Ecco la nostra amica mantide di mare. I suoi occhi,
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and there's that raptorial appendage, and there's the heel.
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199000
3000
l'appendice predatoria, ed ecco qui il tallone.
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And that thing's going to swing around and smash the snail.
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202000
3000
Ed eccolo qui che sta per scattare e colpire la lumaca.
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And the snail's wired to a stick,
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205000
1000
La poveretta è attaccata ad un bastoncino,
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so he's a little bit easier to set up the shot. And -- yeah.
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206000
4000
quindi per la nostra mantide è stato addirittura più facile assestare il colpo. E...colpita.
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(Laughter)
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210000
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(Risate)
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I hope there aren't any snail rights activists around here.
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212000
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L'unica cosa che spero è che non ci siano in sala attivisti per i diritti delle lumache.
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(Laughter)
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215000
2000
(risate)
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So this was filmed at 5,000 frames per second,
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217000
5000
Dunque, tutto questo è stato filmato a 5000 fotogrammi al secondo,
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and I'm playing it back at 15. And so this is slowed down 333 times.
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222000
5000
e ora lo vediamo a 15 fotogrammi, quindi rallentando di 333 volte.
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And as you'll notice, it's still pretty gosh darn fast
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227000
3000
E, come noterete, rivedendolo è un movimento dannatamente veloce
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slowed down 333 times. It's an incredibly powerful movement.
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230000
4000
anche se rallentato di 333 volte, e anche incredibilmente vigoroso.
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The whole limb extends out. The body flexes backwards --
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234000
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L'appendice si allunga del tutto. Il corpo si flette di conseguenza...
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just a spectacular movement.
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è spettacolare.
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And so what we did is, we took a look at these videos,
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240000
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Quello che abbiamo fatto è stato guardare i video
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and we measured how fast the limb was moving
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242000
2000
e cronometrare quanto velocemente si muoveva l'appendice
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to get back to that original question.
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244000
2000
per tornare alla posizione originale.
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And we were in for our first surprise.
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246000
3000
E' stato allora che abbiamo avuto la nostra prima sorpresa.
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So what we calculated was that the limbs were moving
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249000
3000
Quello che abbiamo calcolato è stato che le appendice della mantide si muovevano
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at the peak speed ranging from 10 meters per second
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252000
2000
alla velocità spettacolare di 10 metri al secondo
04:39
all the way up to 23 meters per second.
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254000
2000
fino ad arrivare ai 23 metri al secondo.
04:41
And for those of you who prefer miles per hour,
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256000
2000
Qualcuno di voi potrebbe preferire sapere la velocità in chilometri orari,
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that's over 45 miles per hour in water. And this is really darn fast.
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258000
5000
e in questo caso parliamo di 72 chilometri e mezzo all'ora in acqua. Davvero molto veloce.
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In fact, it's so fast we were able to add a new point
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263000
4000
A dirla tutta, è un movimento così tanto veloce da poter aggiungere un nuovo parametro
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on the extreme animal movement spectrum.
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267000
3000
allo spettro dei movimenti degli animali più veloci al mondo.
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And mantis shrimp are officially the fastest measured feeding strike
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270000
3000
E la mantide di mare è ora ufficialmente l'animale con il colpo più veloce
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of any animal system. So our first surprise.
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273000
4000
mai cronometrato. Ed ecco a voi la prima sorpresa.
05:02
(Applause)
85
277000
1000
(applausi)
05:03
So that was really cool and very unexpected.
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278000
3000
Ed è stato davvero emozionante e inaspettato.
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So, you might be wondering, well, how do they do it?
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281000
3000
Magari quello che vi state domandando è d'accodo, ma come hanno fatto ad arrivarci?
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And actually, this work was done in the 1960s
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284000
3000
In realtà, il lavoro è stato iniziato negli anni '60
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by a famous biologist named Malcolm Burrows.
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287000
2000
da un famoso biologo, Malcolm Burrows.
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And what he showed in mantis shrimp is that they use
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289000
3000
Riuscì a dimostrare che le mantidi di mare usano un meccanismo chiamato
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what's called a "catch mechanism," or "click mechanism."
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292000
3000
meccanismo di cattura, o a scatto.
05:20
And what this basically consists of is a large muscle
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295000
4000
Consiste fondamentalmente in un muscolo piuttosto largo,
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that takes a good long time to contract,
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299000
2000
che impiega abbastanza a contrarsi,
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and a latch that prevents anything from moving.
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301000
3000
e una specie di chiavistello che impedisce a qualunque cosa ci sia in mezzo di muoversi.
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So the muscle contracts, and nothing happens.
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304000
2000
Quindi il muscolo si contrae, e non succede ancora nulla.
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And once the muscle's contracted completely, everything's stored up --
96
306000
3000
Una volta che si è contratto completamente, accumula energia
05:34
the latch flies upward, and you've got the movement.
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309000
4000
e il chiavistello scatta, e da questo si genera il movimento.
05:38
And that's basically what's called a "power amplification system."
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313000
3000
In sostanza, questo è quello che si può chiamare sistema di amplificazione della forza.
05:41
It takes a long time for the muscle to contract,
99
316000
2000
Il muscolo impiega molto tempo a contrarsi,
05:43
and a very short time for the limb to fly out.
100
318000
2000
ma l'appendice è velocissima a uscire.
05:45
And so I thought that this was sort of the end of the story.
101
320000
3000
Ecco, ero convinta che con questo si concludesse la storia.
05:48
This was how mantis shrimps make these very fast strikes.
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323000
4000
Che questo fosse il motivo per cui i colpi della mantide di mare sono così veloci.
05:52
But then I took a trip to the National Museum of Natural History.
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327000
4000
Ma un giorno sono andata al Museo Nazionale di Storia Naturale.
05:56
And if any of you ever have a chance,
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331000
2000
Se mai qualcuno di voi se avesse l'opportunità di andarci,
05:58
backstage of the National Museum of Natural History
105
333000
2000
detto tra noi sappiate che il Museo Nazionale di Storia Naturale
06:00
is one of the world's best collections of preserved mantis shrimp. And what --
106
335000
4000
è in possesso della più grande collezione al mondo di mantidi di mare. E...
06:04
(Laughter)
107
339000
1000
(Risate)
06:05
this is serious business for me.
108
340000
2000
ehi, questo è un argomento molto importante per me.
06:07
(Laughter)
109
342000
1000
(Risate)
06:08
So, this -- what I saw, on every single mantis shrimp limb,
110
343000
5000
Comunque...quello che ho notato, in ogni singola appendice di mantide di mare,
06:13
whether it's a spearer or a smasher,
111
348000
2000
non importa che fosse una lanciatrice o trituratrice,
06:15
is a beautiful saddle-shaped structure
112
350000
2000
è una splendida struttura a forma di sella
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right on the top surface of the limb. And you can see it right here.
113
352000
4000
proprio all'estremità superficiale dell'appendice. Eccola qui, la potete vedere.
06:21
It just looks like a saddle you'd put on a horse.
114
356000
2000
Sembra esattamente una sella che potreste mettere su un cavallo, giusto?
06:23
It's a very beautiful structure.
115
358000
2000
E' una bellissima struttura.
06:25
And it's surrounded by membranous areas. And those membranous areas
116
360000
5000
E avevo anche notato che era circondata da delle membrane,
06:30
suggested to me that maybe this is some kind of dynamically flexible structure.
117
365000
4000
che mi hanno fatto pensare a una struttura flessibile e dinamica.
06:34
And this really sort of had me scratching my head for a while.
118
369000
3000
Tutta questa storia mi ha fatto perdere il sonno per un bel pezzo.
06:37
And then we did a series of calculations, and what we were able to show
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372000
4000
Alla fine abbiamo fatto un bel po' di calcoli, e siamo riusciti a dimostrare che
06:41
is that these mantis shrimp have to have a spring.
120
376000
4000
le mantidi di mare devono avere per forza una molla.
06:45
There needs to be some kind of spring-loaded mechanism
121
380000
3000
Insomma, hanno bisogno di un qualche tipo di meccanismo a molla
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in order to generate the amount of force that we observe,
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383000
2000
per innescare l'accumulo di energia,
06:50
and the speed that we observe, and the output of the system.
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385000
3000
la velocità, e anche per innescare il sistema di muscolo e chiavistello.
06:53
So we thought, OK, this must be a spring --
124
388000
3000
Ci siamo detti, benissimo, ci deve essere una molla...
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the saddle could very well be a spring.
125
391000
2000
e la sella potrebbe essere una molla perfetta.
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And we went back to those high-speed videos again,
126
393000
2000
Abbiamo riguardato tutti i filmati,
07:00
and we could actually visualize the saddle compressing and extending.
127
395000
6000
e ci siamo resi conto che, per davvero, la sella si comprime e si espande.
07:06
And I'll just do that one more time.
128
401000
3000
Ve lo faccio rivedere un'altra volta.
07:09
And then if you take a look at the video --
129
404000
2000
E se guardate bene...
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it's a little bit hard to see -- it's outlined in yellow.
130
406000
2000
non è semplicissimo accorgersene... è evidenziata in giallo.
07:13
The saddle is outlined in yellow. You can actually see it
131
408000
2000
Ecco, la sella è evidenziata in giallo. E potete vederla sul serio,
07:15
extending over the course of the strike, and actually hyperextending.
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410000
4000
che durante il colpo si allunga.
07:19
So, we've had very solid evidence showing
133
414000
2000
Quindi, avevamo una vera e propria prova
07:21
that that saddle-shaped structure actually compresses and extends,
134
416000
4000
che la struttura a forma di sella si comprime e si estende e,
07:25
and does, in fact, function as a spring.
135
420000
2000
in definitiva, funziona esattamente come una molla.
07:27
The saddle-shaped structure is also known as a "hyperbolic paraboloid surface,"
136
422000
5000
Inoltre, ci siamo anche resi conto che questa struttura a forma di sella ha una superficie iperbolica paraboloide,
07:32
or an "anticlastic surface."
137
427000
2000
o anti clastica.
07:34
And this is very well known to engineers and architects,
138
429000
2000
Questa è pane quotidiano per ingegneri e architetti,
07:36
because it's a very strong surface in compression.
139
431000
3000
perché è una superficie che resiste bene anche alla compressione.
07:39
It has curves in two directions,
140
434000
2000
Presenta curvature in due direzioni,
07:41
one curve upward and opposite transverse curve down the other,
141
436000
3000
una verso l'alto e l'altra, al contrario, verso il basso
07:44
so any kind of perturbation spreads the forces
142
439000
3000
quindi una forza esterna non farà altro che distendersi
07:47
over the surface of this type of shape.
143
442000
3000
sulla superficie della struttura.
07:50
So it's very well known to engineers, not as well known to biologists.
144
445000
4000
Tutto questo è già noto da tempo agli ingegneri, ma non posso dire altrettanto dei biologi.
07:54
It's also known to quite a few people who make jewelry,
145
449000
4000
Credo che anche gli artisti che creano gioielli ne siano a conoscenza,
07:58
because it requires very little material
146
453000
3000
perché anche con poco materiale
08:01
to build this type of surface, and it's very strong.
147
456000
3000
si può costruire una struttura di questo tipo, ed è davvero robusta e resistente.
08:04
So if you're going to build a thin gold structure,
148
459000
2000
Quindi, se vi venisse in mente di costruire un oggetto sottile in oro,
08:06
it's very nice to have it in a shape that's strong.
149
461000
2000
fareste meglio a farlo con una struttura il più possibile resistente.
08:08
Now, it's also known to architects. One of the most famous architects
150
463000
5000
Bene, è una cosa conosciuta anche dagli architetti. E' stato proprio un architetto famoso,
08:13
is Eduardo Catalano, who popularized this structure.
151
468000
3000
Eduardo Catalano, che ha reso celebre questo tipo di struttura.
08:16
And what's shown here is a saddle-shaped roof that he built
152
471000
3000
Ora potete vedere un tetto che Catalano ha progettato a forma di sella,
08:19
that's 87 and a half feet spanwise.
153
474000
4000
con un'estensione di 26 metri.
08:23
It's two and a half inches thick, and supported at two points.
154
478000
3000
E spesso solo 6 centimetri, e sostenuto in due punti.
08:26
And one of the reasons why he designed roofs this way is because it's --
155
481000
5000
Una delle ragioni per cui ha deciso di costruire il tetto con questa forma è perché
08:31
he found it fascinating that you could build such a strong structure
156
486000
4000
trovava assolutamente affascinante l'idea di costruire una struttura talmente solida
08:35
that's made of so few materials and can be supported by so few points.
157
490000
4000
che avesse bisogno di così poco materiale e sostegno.
08:39
And all of these are the same principles that apply
158
494000
4000
E questi sono tutti esempi dei modi in cui si può applicare
08:43
to the saddle-shaped spring in stomatopods.
159
498000
2000
la stessa struttura a sella che negli stomatopodi ha la funzione di una molla.
08:45
In biological systems it's important not to have a whole lot
160
500000
3000
Parlando in termini biologici, è molto importante non aver bisogno di
08:48
of extra material requirements for building it.
161
503000
3000
materiale in eccesso per costruire una struttura fisica.
08:51
So, very interesting parallels between the biological
162
506000
3000
Trovo sia davvero interessante questo parallelo tra il mondo della biologia
08:54
and the engineering worlds. And interestingly, this turns out --
163
509000
4000
e quello dell'ingegneria. In più, quella degli stomapodi
08:58
the stomatopod saddle turns out to be the first
164
513000
2000
risulta essere la prima struttura a sella
09:00
described biological hyperbolic paraboloid spring.
165
515000
3000
descritta a livello biologico come una molla iperbolica paraboloide.
09:03
That's a bit long, but it is sort of interesting.
166
518000
3000
Sì, è piuttosto lungo da dire, ma è anche davvero intrigante.
09:06
So the next and final question was, well, how much force
167
521000
3000
Bene, ultima domanda: quanta forza
09:09
does a mantis shrimp produce if they're able to break open snails?
168
524000
4000
dovrà mai produrre una mantide di mare per aprire una lumaca?
09:13
And so I wired up what's called a load cell.
169
528000
2000
Così ho dovuto collegare la mantide a quella che si chiama cella di carico.
09:15
A load cell measures forces, and this is actually
170
530000
2000
Una cella di carico misura l'intensità della forza, e questa in particolare
09:17
a piezoelectronic load cell that has a little crystal in it.
171
532000
3000
è una cella di carico piezoelettrica che contiene un piccolo cristallo.
09:20
And when this crystal is squeezed, the electrical properties change
172
535000
4000
Quando il cristallo viene compresso le proprietà elettrice cambiano
09:24
and it -- which -- in proportion to the forces that go in.
173
539000
2000
in proporzione alla forza che viene applicata.
09:26
So these animals are wonderfully aggressive,
174
541000
3000
Dunque, questi animali sono straordinariamente aggressivi,
09:29
and are really hungry all the time. And so all I had to do
175
544000
3000
e nel momento del test anche decisamente affamati. Tutto quello che ho dovuto fare
09:32
was actually put a little shrimp paste on the front of the load cell,
176
547000
3000
è stato mettere dei pezzetti di gamberetto davanti alla cella,
09:35
and they'd smash away at it.
177
550000
2000
e loro ci si sono scagliati contro.
09:37
And so this is just a regular video of the animal
178
552000
4000
Ecco, questo è un video dell'animale
09:41
just smashing the heck out of this load cell.
179
556000
3000
che colpisce la cella di carico.
09:44
And we were able to get some force measurements out.
180
559000
3000
In questo modo abbiamo potuto misurare la forza che veniva applicata.
09:47
And again, we were in for a surprise.
181
562000
2000
E, anche in questo caso abbiamo avuto una grande sorpresa.
09:49
I purchased a 100-pound load cell, thinking,
182
564000
2000
Avevo preparato una cella da 45 chili pensando
09:51
no animal could produce more than 100 pounds at this size of an animal.
183
566000
4000
che nessun animale di taglia così piccola potesse produrre una forza superiore ai 45 chili.
09:55
And what do you know? They immediately overloaded the load cell.
184
570000
2000
Immaginate un po', hanno immediatamente sovraccaricato la cella di carico.
09:57
So these are actually some old data
185
572000
2000
Questi sono alcuni vecchi dati
09:59
where I had to find the smallest animals in the lab,
186
574000
2000
di quando dovetti trovare gli animali più piccoli in laboratorio,
10:01
and we were able to measure forces of well over 100 pounds
187
576000
3000
ed eravamo riusciti a rintracciare una forza di circa 45 chili
10:04
generated by an animal about this big.
188
579000
3000
in animali delle grandezze che ora potete leggere.
10:07
And actually, just last week I got a 300-pound load cell
189
582000
2000
In realtà, non più tardi della settimana scorsa ho usato una cella da 136 chili
10:09
up and running, and I've clocked these animals generating
190
584000
3000
e ho misurato in questi animaletti una forza
10:12
well over 200 pounds of force.
191
587000
2000
di oltre 90 chili.
10:14
And again, I think this will be a world record.
192
589000
3000
Io credo che anche questo sia un nuovo record.
10:17
I have to do a little bit more background reading,
193
592000
2000
Devo ancora documentarmi bene,
10:19
but I think this will be the largest amount of force produced
194
594000
3000
ma penso che questa sia la più grande forza prodotta
10:22
by an animal of a given -- per body mass. So, really incredible forces.
195
597000
5000
da un animale relativamente alla sua massa corporea. Una forza davvero incredibile.
10:27
And again, that brings us back to the importance of that spring
196
602000
3000
Credo che questo ci ricordi ancora l'importanza della molla,
10:30
in storing up and releasing so much energy in this system.
197
605000
4000
che mette in moto il meccanismo e produce una tale quantità di energia.
10:34
But that was not the end of the story.
198
609000
2000
Ma questa non è ancora la fine della nostra storia.
10:36
Now, things -- I'm making this sound very easy, this is actually a lot of work.
199
611000
3000
Sto semplificando molto, ma parliamo davvero di un lavoro enorme che è stato fatto.
10:39
And I got all these force measurements,
200
614000
2000
Ho misurato la forza,
10:41
and then I went and looked at the force output of the system.
201
616000
4000
e dopo ho riportato i dati nello schema.
10:45
And this is just very simple -- time is on the X-axis
202
620000
3000
E' molto semplice -- il tempo è sull'asse x
10:48
and the force is on the Y-axis. And you can see two peaks.
203
623000
3000
e la forza sull'asse y. Potete vedere che ci sono due picchi.
10:51
And that was what really got me puzzled.
204
626000
4000
E' stato esattamente questo che mi ha lasciata perplessa.
10:55
The first peak, obviously, is the limb hitting the load cell.
205
630000
3000
Ovviamente, il primo picco rappresenta l'appendice della mantide che colpisce la parete della cella.
10:58
But there's a really large second peak half a millisecond later,
206
633000
6000
Ma c'era un secondo ampio picco mezzo millisecondo più tardi,
11:04
and I didn't know what that was.
207
639000
2000
e non riuscivo a capire da cosa dipendesse.
11:06
So now, you'd expect a second peak for other reasons,
208
641000
3000
Certo, ci si poteva aspettare un altro picco,
11:09
but not half a millisecond later.
209
644000
2000
ma non certo mezzo millisecondo dopo.
11:11
Again, going back to those high-speed videos,
210
646000
2000
Guardando di nuovo i nostri video
11:13
there's a pretty good hint of what might be going on.
211
648000
4000
abbiamo trovato un buon suggerimento per capire cosa fosse successo.
11:17
Here's that same orientation that we saw earlier.
212
652000
2000
Questa è la stessa angolazione che abbiamo visto prima.
11:19
There's that raptorial appendage -- there's the heel,
213
654000
3000
Ecco l'appendice -- e il tallone
11:22
and it's going to swing around and hit the load cell.
214
657000
3000
ed ecco il momento in cui sta per scattare e colpire la cella.
11:25
And what I'd like you to do in this shot is keep your eye on this,
215
660000
3000
Quello che vorrei fare è aiutarvi a rimanere concentrati proprio su questo punto,
11:28
on the surface of the load cell, as the limb comes flying through.
216
663000
5000
la superficie della cella, nel momento in cui l'appendice sta per arrivare.
11:33
And I hope what you are able to see is actually a flash of light.
217
668000
5000
Spero davvero che riusciate a vedere questo lampo di luce.
11:38
Audience: Wow.
218
673000
2000
Pubblico: Wow.
11:40
Sheila Patek: And so if we just take that one frame, what you can actually see there
219
675000
4000
Sheila Patek: E se riusciamo a separare solo questo fotogramma, quello che notiamo
11:44
at the end of that yellow arrow is a vapor bubble.
220
679000
3000
all'estremità della freccia gialla è una bolla di vapore.
11:47
And what that is, is cavitation.
221
682000
2000
E sapete cos'è? E' un esempio di cavitazione.
11:49
And cavitation is an extremely potent fluid dynamic phenomenon
222
684000
4000
La cavitazione è un fenomeno fisico che riguarda la dinamica dei fluidi
11:53
which occurs when you have areas of water
223
688000
3000
è avviene quando sono presenti delle masse di acqua
11:56
moving at extremely different speeds.
224
691000
2000
che si muovono a velocità molto diverse.
11:58
And when this happens, it can cause areas of very low pressure,
225
693000
4000
Quando avviene questo, possono formarsi delle aree con pressioni molto basse,
12:02
which results in the water literally vaporizing.
226
697000
3000
e quindi l'acqua letteralmente vaporizza.
12:05
And when that vapor bubble collapses, it emits sound, light and heat,
227
700000
4000
Quando queste bolle di vapore collassano emettono suono e producono luce e calore,
12:09
and it's a very destructive process.
228
704000
2000
potremo dire che è un processo davvero distruttivo.
12:11
And so here it is in the stomatopod. And again, this is a situation
229
706000
5000
Torniamo ai nostri stomatopodi. Come per la situazione precedente,
12:16
where engineers are very familiar with this phenomenon,
230
711000
3000
gli ingegneri conoscono bene questo fenomeno,
12:19
because it destroys boat propellers.
231
714000
2000
perché è in grado di distruggere le eliche delle barche.
12:21
People have been struggling for years to try and design
232
716000
3000
Quindi hanno faticato per anni per progettare
12:24
a very fast rotating boat propeller that doesn't cavitate
233
719000
4000
delle eliche per navi a rotazione veloce in modo che non fossero soggette a cavitazione
12:28
and literally wear away the metal and put holes in it,
234
723000
2000
perché in tal caso il fenomeno produce la perdita del metallo e la formazione di buchi,
12:30
just like these pictures show.
235
725000
2000
proprio come potete vedere in queste immagini.
12:32
So this is a potent force in fluid systems, and just to sort of take it one step further,
236
727000
9000
Quindi questa è una forza potente nei sistemi dei fluidi, e per mostrarlo più chiaramente
12:41
I'm going to show you the mantis shrimp approaching the snail.
237
736000
3000
vi mostro di nuovo la mantide di mare che si avvicina alla lumaca.
12:44
This is taken at 20,000 frames per second, and I have to give
238
739000
4000
Questa ripresa è a 20000 fotogramma al secondo, e devo
12:48
full credit to the BBC cameraman, Tim Green, for setting this shot up,
239
743000
4000
lasciare tutto il merito a Tim Green, cameraman della BBC, per aver caricato il video,
12:52
because I could never have done this in a million years --
240
747000
3000
perché io non ci sarei riuscita neanche in un milione di anni.
12:55
one of the benefits of working with professional cameramen.
241
750000
3000
Questo è uno dei tanti lati positivi di lavorare con dei cameramen professionisti.
12:58
You can see it coming in, and an incredible flash of light,
242
753000
4000
Bene, potete vedere che si avvicina, e subito dopo un'incredibile lampo,
13:02
and all this cavitation spreading over the surface of the snail.
243
757000
4000
e la forza della cavitazione colpire la superfice della lumaca.
13:06
So really, just an amazing image,
244
761000
3000
E' davvero un'immagine fantastica,
13:09
slowed down extremely, to extremely slow speeds.
245
764000
4000
ed è stata rallentata in maniera incredibile.
13:13
And again, we can see it in slightly different form there,
246
768000
3000
E possiamo anche rivederla da un'angolazione leggermente diversa,
13:16
with the bubble forming and collapsing between those two surfaces.
247
771000
4000
ecco le bolle che si formano e poi scoppiano tra le due superfici.
13:20
In fact, you might have even seen some cavitation going up the edge of the limb.
248
775000
5000
In effetti, potreste addirittura avere visto la cavitazione sul bordo dell'arto.
13:25
So to solve this quandary of the two force peaks:
249
780000
3000
E questo risolve il dilemma dei due picchi di forza:
13:28
what I think was going on is: that first impact is actually
250
783000
2000
penso che quello che succeda sia che il primo impatto è
13:30
the limb hitting the load cell, and the second impact is actually
251
785000
3000
l'appendice che colpisce la cella, e il secondo impatto
13:33
the collapse of the cavitation bubble.
252
788000
2000
il collasso della bolla di cavitazione.
13:35
And these animals may very well be making use of
253
790000
3000
Quindi i nostri animali sfruttano
13:38
not only the force and the energy stored with that specialized spring,
254
793000
4000
non solo la forza e l'energia che scaturiscono dalla loro molla specifica,
13:42
but the extremes of the fluid dynamics. And they might actually be
255
797000
4000
ma dagli estremi della dinamica dei fluidi. E si potrebbe anche pensare che
13:46
making use of fluid dynamics as a second force for breaking the snail.
256
801000
4000
sfruttino questa dinamica anche come una seconda forza per rompere il guscio delle lumache.
13:50
So, really fascinating double whammy, so to speak, from these animals.
257
805000
6000
Quindi, si potrebbe dire che per le lumachine è una doppia colpo, da questi animali.
13:56
So, one question I often get after this talk --
258
811000
2000
C'è una domanda che mi sento rivolgere spesso dopo questo ragionamento...
13:58
so I figured I'd answer it now -- is, well, what happens to the animal?
259
813000
3000
quindi credo che questa volta risponderò...cioè, ma cosa succede a questi animali?
14:01
Because obviously, if it's breaking snails,
260
816000
3000
Perché, ovviamente, se si mette a distruggere lumache,
14:04
the poor limb must be disintegrating. And indeed it does.
261
819000
3000
anche la povera appendice finirà disintegrata. E, in effetti, così è.
14:07
That's the smashing part of the heel on both these images,
262
822000
3000
In entrambe le immagine si vede la parte del tallone che colpisce la lumaca,
14:10
and it gets worn away. In fact, I've seen them wear away
263
825000
2000
ed è tutto rovinato. In effetti, li ho visti consumarsi
14:12
their heel all the way to the flesh.
264
827000
2000
i talloni fino ad arrivare alla carne viva.
14:14
But one of the convenient things about being an arthropod
265
829000
3000
Ma l'aspetto positivo di essere un artropode
14:17
is that you have to molt. And every three months or so
266
832000
3000
è la muta. Ogni tre mesi circa
14:20
these animals molt, and they build a new limb and it's no problem.
267
835000
5000
questi animali fanno la muta, costruiscono una nuova appendice e il problema scompare.
14:25
Very, very convenient solution to that particular problem.
268
840000
4000
Direi che è una soluzione davvero intelligente per risolvere questo particolare problema.
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So, I'd like to end on sort of a wacky note.
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Ora, mi piacerebbe concludere con una stravaganza.
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(Laughter)
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(Risate)
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Maybe this is all wacky to folks like you, I don't know.
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Beh, magari a voi ragazzi queste sembrano tutte cose strambe.
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(Laughter)
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(Risate)
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So, the saddles -- that saddle-shaped spring --
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Dunque, la sella... la molla a forma di sella...
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has actually been well known to biologists for a long time,
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in realtà è conosciuta dai biologi già da molto tempo,
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not as a spring but as a visual signal.
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ma non con la funzione di molla, bensì come un segnale visivo.
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And there's actually a spectacular colored dot
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Infatti c'è anche un bellissimo pois colorato
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in the center of the saddles of many species of stomatopods.
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proprio nel centro della sella in molte specie di stomatopodi.
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And this is quite interesting, to find evolutionary origins
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E credo sia così interessante scoprire l'origine evolutiva
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of visual signals on what's really, in all species, their spring.
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di un segnale visivo che, in tutte le specie, in realtà ha la funzione di molla.
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And I think one explanation for this could be
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Penso che una possibile spiegazione
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going back to the molting phenomenon.
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possa essere trovata tornando al fenomeno della muta.
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So these animals go into a molting period where they're
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Dunque, questi animali entrano nel periodo della muta, in cui
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unable to strike -- their bodies become very soft.
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non riescono a colpire nulla -- i loro corpi si fanno molto morbidi.
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And they're literally unable to strike or they will self-destruct.
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Letteralmente non possono colpire nulla, perché altrimenti si distruggerebbero.
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This is for real. And what they do is, up until that time period
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E questo è un dato di fatto. Nel periodo in cui
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when they can't strike, they become really obnoxious and awful,
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non possono colpire, diventano davvero temibili e disgustosi,
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and they strike everything in sight; it doesn't matter who or what.
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e colpiscono qualunque cosa gli capiti a tiro, non importa chi o cosa sia.
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And the second they get into that time point when they can't strike any more,
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E un secondo dopo essere entrati nel periodo in cui non possono più colpire nulla,
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they just signal. They wave their legs around.
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iniziano a fare dei segnali. Agitano le zampe.
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And it's one of the classic examples in animal behavior of bluffing.
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Ecco, questo è un classico esempio di bluff nel regno animale.
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It's a well-established fact of these animals
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E' un fatto ormai accertato che questi animali
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that they actually bluff. They can't actually strike, but they pretend to.
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bluffino. Non possono colpire in realtà, ma fingono di poterlo ancora fare.
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And so I'm very curious about whether those colored dots
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Quindi sono davvero curiosa di capire se questi pois colorati
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in the center of the saddles are conveying some kind of information
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al centro della sella comunichino qualche informazione
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about their ability to strike, or their strike force,
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sulla capacità di colpire, o sulla loro forza,
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and something about the time period in the molting cycle.
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o qualcosa sul periodo della muta.
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So sort of an interesting strange fact to find a visual structure
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E' davvero una cosa strana trovare una struttura di informazione visiva
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right in the middle of their spring.
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proprio nel mezzo della loro molla.
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So to conclude, I mostly want to acknowledge my two collaborators,
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In conclusione, voglio soprattutto ringraziare i miei due collaboratori,
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Wyatt Korff and Roy Caldwell, who worked closely with me on this.
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Wyatt Korff e Roy Caldwell, che hanno lavorato al mio fianco in questo progetto.
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And also the Miller Institute for Basic Research in Science,
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E ovviamente anche il Miller Institute for Basic Research in Science,
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which gave me three years of funding to just do science all the time,
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che mi ha finanziato per tre anni per permettermi di occuparmi di scienze a tempo pieno,
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and for that I'm very grateful. Thank you very much.
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e per questo mi sento davvero grata. Grazie a tutti voi.
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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