TED2004
Sheila Patek: The shrimp with a kick!
שילה פאטק מתזמנת את בעלי החיים המהירים ביותר
Filmed:
Readability: 4
1,659,037 views
הביולוגית שילה פאטק מדברת על עבודתה בה היא מודדת את חבטת האכילה של חסילון המנטיס, אחת מהתנועות המהירות ביותר בעולם החיות, כאשר היא משתמשת במצלמות ווידאו המצלמות ב-20,000 פריים לשנייה.
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
אם אתם רוצים ללמוד כיצד לשחק אותה לובסטר, יש לנו כמה כאן.
00:28
And that's not a joke, we really do.
1
3000
2000
וזו אינה בדיחה, באמת יש לנו.
00:30
So come up afterwards and I'll show you how to play a lobster.
2
5000
3000
אז תעלו לפה אחר-כך ואני אראה לכם כיצד לשחק אותה לובסטר.
00:33
So, actually, I started working on what's called the mantis shrimp
3
8000
4000
אז, למעשה, אני התחלתי לעבוד על מה שנקרא חסילון מנטיס
00:37
a few years ago because they make sound.
4
12000
3000
לפני מספר שנים מכיוון שהם ייצרו צלילים.
00:40
This is a recording I made of a mantis shrimp
5
15000
2000
זוהי הקלטה שאני הקלטתי של חסילון מנטיס
00:42
that's found off the coast of California.
6
17000
2000
הנמצא ליד חופי קליפורניה.
00:55
And while that's an absolutely fascinating sound,
7
30000
3000
ולמרות שזה צליל שהוא ללא ספק מרתק,
00:58
it actually turns out to be a very difficult project.
8
33000
3000
זה למעשה התברר להיות כפרוייקט לא קל.
01:01
And while I was struggling to figure out how and why mantis shrimp,
9
36000
5000
ובזמן שאני נאבקתי להבין למה ומדוע חסילוני מנטיס,
01:06
or stomatopods, make sound, I started to think about their appendages.
10
41000
4000
או סטומאטופודים,מייצרים צליל, אני התחלתי לחשוב על הגפיים שלהם.
01:10
And mantis shrimp are called "mantis shrimp" after the praying mantises,
11
45000
3000
וחסילוני מנטיס נקראים חסילוני מנטיס בעקבות דמיונם לגמלי שלמה המתפללים,
01:13
which also have a fast feeding appendage. And I started to think,
12
48000
4000
אשר גם להם יש גפת אכילה מהירה. ואני התחלתי לחשוב,
01:17
well, maybe it will be interesting, while listening to their sounds,
13
52000
3000
ובכן, אולי זה יהיה מעניין, בזמן שאקשיב לצלילים שלהם,
01:20
to figure out how these animals generate very fast feeding strikes.
14
55000
3000
להבין כיצד החיות הללו מייצרות חבטות אכילה כל-כך מהירות.
01:23
And so today I'll talk about the extreme stomatopod strike,
15
58000
4000
היום אני אדבר על החבטה הקיצונית של הסטומאטופוד,
01:27
work that I've done in collaboration with Wyatt Korff and Roy Caldwell.
16
62000
3000
עבודה שאותה עשיתי בשיתוף עם וויט קרוף ורוי קולדוול.
01:30
So, mantis shrimp come in two varieties:
17
65000
3000
אז, לחסילון מנטיס יש שתי גירסאות:
01:33
there are spearers and smashers.
18
68000
2000
ישנם בעלי החנית והמרסקים.
01:35
And this is a spearing mantis shrimp, or stomatopod.
19
70000
3000
וזהו חסילון מנטיס, או סטומאטופוד, בעל החנית.
01:38
And he lives in the sand, and he catches things that go by overhead.
20
73000
5000
והוא חי בחול, והוא תופס דברים שעוברים לו מעל הראש.
01:43
So, a quick strike like that. And if we slow it down a bit,
21
78000
5000
אז, מכה מהירה כזו. ואם אנחנו נאט את זה קצת,
01:48
this is the mantis shrimp -- the same species --
22
83000
2000
זהו חסילון המנטיס -- אותו זן --
01:50
recorded at 1,000 frames a second,
23
85000
2000
מוקלט באלף פריים לשנייה,
01:52
played back at 15 frames per second.
24
87000
2000
ורץ ב- 15 פריימים לשנייה.
01:54
And you can see it's just a really spectacular extension of the limbs,
25
89000
6000
ואתם יכולים לראות שזה פשוט הארכה מדהימה של הגפיים,
02:00
exploding upward to actually just catch
26
95000
3000
העפים למעלה במהירות בכדי לתפוס
02:03
a dead piece of shrimp that I had offered it.
27
98000
2000
חתיכה של שרימפס מת שאני הצעתי לו.
02:05
Now, the other type of mantis shrimp is the smasher stomatopod,
28
100000
5000
עכשיו, הסוג השני של חסילון המנטיס הוא הסטומאטופוד המרסק,
02:10
and these guys open up snails for a living.
29
105000
3000
והחבר'ה האלה פותחים חלזונות למחייתם.
02:13
And so this guy gets the snail all set up and gives it a good whack.
30
108000
5000
אז הבחור הזה מכין את החלזון בתנוחה נוחה ונותן לו מכה הגונה.
02:18
(Laughter)
31
113000
1000
(צחוק)
02:19
So, I'll play it one more time.
32
114000
2000
אז, אני אנגן את זה עוד פעם אחת.
02:21
He wiggles it in place, tugs it with his nose, and smash.
33
116000
4000
הוא מסדר את זה במקום, מושך את זה עם האף שלו, ואז מרסק.
02:25
And a few smashes later, the snail is broken open, and he's got a good dinner.
34
120000
7000
ואז כמה ריסוקים אחר-כך, בית החלזון נפתח, ויש לו ארוחה טובה.
02:32
So, the smasher raptorial appendage can stab with a point at the end,
35
127000
4000
אז, הגפה הרפטלית של המרסק יכולה לדקור עם חודה בקצה,
02:36
or it can smash with the heel.
36
131000
2000
או שהיא יכולה לרסק עם העקב.
02:38
And today I'll talk about the smashing type of strike.
37
133000
3000
והיום אני אדבר על הסוג שמשתמש בחבטת הריסוק.
02:41
And so the first question that came to mind was,
38
136000
2000
השאלה הראשונה שעלתה לי לראש הייתה,
02:43
well, how fast does this limb move?
39
138000
3000
ובכן, באיזו מהירות הגפה הזו זזה?
02:46
Because it's moving pretty darn fast on that video.
40
141000
3000
מכיוון שהיא זזה די מהר בווידאו הזה.
02:49
And I immediately came upon a problem.
41
144000
3000
ומיידית נתקלתי בבעיה.
02:52
Every single high-speed video system in the biology department
42
147000
3000
כל מערכת וודיאו במהירות גבוהה שהייתה לנו במחלקת ביולוגיה
02:55
at Berkeley wasn't fast enough to catch this movement.
43
150000
4000
בברקלי לא הייתה מהירה מספיק כדי לתפוס את התנועה.
02:59
We simply couldn't capture it on video.
44
154000
2000
פשוט לא היינו מסוגלים לתפוס את זה בווידאו.
03:01
And so this had me stymied for quite a long period of time.
45
156000
3000
וזה גרם לי להיות מתוסכלת לזמן רב.
03:04
And then a BBC crew came cruising through the biology department,
46
159000
3000
ואז צוות BBC עבר לו דרך מחלקת ביולוגיה,
03:07
looking for a story to do about new technologies in biology.
47
162000
5000
בחיפושו אחר סיפור על טכנולוגיות חדשות בביולוגיה
03:12
And so we struck up a deal.
48
167000
2000
אז עשינו עיסקה.
03:14
I said, "Well, if you guys rent the high-speed video system
49
169000
2000
אני אמרתי "ובכן, אם אתם תשכרו את מערכת הווידאו לצילום במהירות גבוהה
03:16
that could capture these movements,
50
171000
2000
שיכולה לתפוס את התזוזות האלו,
03:18
you guys can film us collecting the data."
51
173000
3000
אתם תוכלו לצלם אותנו אוספים מידע."
03:21
And believe it or not, they went for it. (Laughter)
52
176000
2000
ותאמינו או לא, הם הלכו על זה.
03:23
So we got this incredible video system. It's very new technology --
53
178000
4000
אז קיבלנו מערכת ווידאו מדהימה . זוהי טכנולוגיה מאוד חדישה --
03:27
it just came out about a year ago --
54
182000
2000
היא יצאה לשוק רק לפני שנה בערך --
03:29
that allows you to film at extremely high speeds in low light.
55
184000
5000
שמאפשרת לך לצלם במהירויות מאוד גבוהות בתאורה נמוכה.
03:34
And low light is a critical issue with filming animals,
56
189000
2000
ותאורה נמוכה הוא דבר קריטי כשמצלמים חיות,
03:36
because if it's too high, you fry them. (Laughter)
57
191000
3000
מכיוון שאם התאורה גבוהה מדי, אתה תטגן אותם.
03:39
So this is a mantis shrimp. There are the eyes up here,
58
194000
5000
אז זהו חסילון המנטיס. הנה העיניים פה למעלה,
03:44
and there's that raptorial appendage, and there's the heel.
59
199000
3000
והגפה הרפטלית כאן, והנה העקב.
03:47
And that thing's going to swing around and smash the snail.
60
202000
3000
והדבר הזה עומד להיות מונף ולחבוט בחלזון.
03:50
And the snail's wired to a stick,
61
205000
1000
והחלזון קשור למקל,
03:51
so he's a little bit easier to set up the shot. And -- yeah.
62
206000
4000
כך שמעט קל יותר לארגן ולתת את החבטה. ו..כן.
03:55
(Laughter)
63
210000
2000
(צחוק)
03:57
I hope there aren't any snail rights activists around here.
64
212000
3000
אני מקווה שאין כאן פועלי זכויות לחלזונות.
04:00
(Laughter)
65
215000
2000
(צחוק)
04:02
So this was filmed at 5,000 frames per second,
66
217000
5000
אז זה צולם ב-5,000 פריימים לשנייה,
04:07
and I'm playing it back at 15. And so this is slowed down 333 times.
67
222000
5000
ואני מריצה את זה ב-15. כך שזה מואט פי 333.
04:12
And as you'll notice, it's still pretty gosh darn fast
68
227000
3000
וכמו שתראו, זה עדיין די מהיר
04:15
slowed down 333 times. It's an incredibly powerful movement.
69
230000
4000
כשזה מואט פי 333. זו עדיין תנועה עוצמתית בצורה מדהימה.
04:19
The whole limb extends out. The body flexes backwards --
70
234000
3000
כל הגפה נמתחת החוצה. הגוף מתכופף אחורה --
04:22
just a spectacular movement.
71
237000
3000
פשוט תנועה מופלאה.
04:25
And so what we did is, we took a look at these videos,
72
240000
2000
אז מה שעשינו, הסתכלנו על הסרטונים הללו,
04:27
and we measured how fast the limb was moving
73
242000
2000
ומדדנו באיזו מהירות הגפה זזה
04:29
to get back to that original question.
74
244000
2000
בכדי לחזור לאותה שאלה מקורית.
04:31
And we were in for our first surprise.
75
246000
3000
ואנחנו עמדנו להיות מפותעים בפעם הראשונה.
04:34
So what we calculated was that the limbs were moving
76
249000
3000
מה שחישבנו היה שהגפה זזה
04:37
at the peak speed ranging from 10 meters per second
77
252000
2000
במהירות שיא הנעה מעשר מטר לשנייה
04:39
all the way up to 23 meters per second.
78
254000
2000
ועד ל- 23 מטר לשנייה
04:41
And for those of you who prefer miles per hour,
79
256000
2000
ולאלו מכם המעדיפים את שיטת המייל לשעה,
04:43
that's over 45 miles per hour in water. And this is really darn fast.
80
258000
5000
זה למעלה מ- 45 מייל לשעה במים. וזה בהחלט מהיר.
04:48
In fact, it's so fast we were able to add a new point
81
263000
4000
למעשה, זה כל-כך מהיר עד שהצלחנו להוסיף נקודה חדשה
04:52
on the extreme animal movement spectrum.
82
267000
3000
בספקטרום התנועות הקיצוניות של בעלי-חיים.
04:55
And mantis shrimp are officially the fastest measured feeding strike
83
270000
3000
וחסילון המנטיס הוא בעל חבטת האכילה המהירה ביותר שנמדדה באופן רשמי
04:58
of any animal system. So our first surprise.
84
273000
4000
בכל מערכות בעלי-החיים. אז זו הייתה הפתעתנו הראשונה.
05:02
(Applause)
85
277000
1000
(מחיאות כפיים)
05:03
So that was really cool and very unexpected.
86
278000
3000
אז זה היה באמת מגניב ולא צפוי.
05:06
So, you might be wondering, well, how do they do it?
87
281000
3000
אז, אתם וודאי תוהים, ובכן, איך הם עושים זאת?
05:09
And actually, this work was done in the 1960s
88
284000
3000
ולמעשה, המחקר הזה נעשה בשנות השישים
05:12
by a famous biologist named Malcolm Burrows.
89
287000
2000
על-ידיי ביולוג מוכר בשם מלקולם בורוס.
05:14
And what he showed in mantis shrimp is that they use
90
289000
3000
ומה שהוא הראה היה שחסילוני המנטיס משתמשים
05:17
what's called a "catch mechanism," or "click mechanism."
91
292000
3000
במה שנקרא מנגנון תפיסה, או מנגנון נקישה.
05:20
And what this basically consists of is a large muscle
92
295000
4000
והוא מורכב משריר גדול
05:24
that takes a good long time to contract,
93
299000
2000
שלוקח לו זמן רב להתכווץ,
05:26
and a latch that prevents anything from moving.
94
301000
3000
ובריח שמונע ממשהו לזוז.
05:29
So the muscle contracts, and nothing happens.
95
304000
2000
אז השריר מתכווץ, ודבר לא קורה.
05:31
And once the muscle's contracted completely, everything's stored up --
96
306000
3000
וברגע שהשריר מתכווץ לחלוטין, הכל נאגר --
05:34
the latch flies upward, and you've got the movement.
97
309000
4000
הבריח עולה למעלה, ויש לך את התנועה.
05:38
And that's basically what's called a "power amplification system."
98
313000
3000
וזה למעשה מה שנקרא מערכת העצמת כוח.
05:41
It takes a long time for the muscle to contract,
99
316000
2000
לוקח לשריר זמן רב להתכווץ,
05:43
and a very short time for the limb to fly out.
100
318000
2000
וזמן קצר לגפה לעוף החוצה.
05:45
And so I thought that this was sort of the end of the story.
101
320000
3000
ואני חשבתי שזה היה די סופו של הסיפור.
05:48
This was how mantis shrimps make these very fast strikes.
102
323000
4000
זו הדרך שבה חסילוני מנטיס מבצעים את החבטות המהירות שלהם.
05:52
But then I took a trip to the National Museum of Natural History.
103
327000
4000
אבל אז הלכתי לטיול במוזיאון הלאומי להיסטוריית הטבע.
05:56
And if any of you ever have a chance,
104
331000
2000
ואם יתאפשר לכם מתישהו,
05:58
backstage of the National Museum of Natural History
105
333000
2000
מאחורי הקלעים של המוזיאון הלאומי להיסטוריית הטבע
06:00
is one of the world's best collections of preserved mantis shrimp. And what --
106
335000
4000
ישנו את אחד האוספים המוצלחים של חסילוני מנטיס משומרים. ומה --
06:04
(Laughter)
107
339000
1000
(צחוק)
06:05
this is serious business for me.
108
340000
2000
זה עסק רציני עבורי.
06:07
(Laughter)
109
342000
1000
(צחוק)
06:08
So, this -- what I saw, on every single mantis shrimp limb,
110
343000
5000
אז, זה -- מה שראיתי, בכל גפה של חסילון מנטיס שראיתי,
06:13
whether it's a spearer or a smasher,
111
348000
2000
בין שהיה בעל חנית או מרסק,
06:15
is a beautiful saddle-shaped structure
112
350000
2000
היה מבנה יפיפה דמויי אוכף
06:17
right on the top surface of the limb. And you can see it right here.
113
352000
4000
ממש על פני השטח של הגפה. ואתם יכולים לראות את זה כאן.
06:21
It just looks like a saddle you'd put on a horse.
114
356000
2000
זה נראה בדיוק כמו אוכף שאתם שמים על סוס.
06:23
It's a very beautiful structure.
115
358000
2000
זה מבנה מאוד יפה.
06:25
And it's surrounded by membranous areas. And those membranous areas
116
360000
5000
והוא מוקף באיזורים קרומיים, ואותם איזורים קרומיים
06:30
suggested to me that maybe this is some kind of dynamically flexible structure.
117
365000
4000
מרמזים לי על כך שאולי זהו סוג של מבנה גמיש.
06:34
And this really sort of had me scratching my head for a while.
118
369000
3000
וזה באמת גרם לי לגרד את הראש בתהייה לזמן מה.
06:37
And then we did a series of calculations, and what we were able to show
119
372000
4000
עשינו מספר חישובים, ומה שהצלחנו להראות
06:41
is that these mantis shrimp have to have a spring.
120
376000
4000
היה שלחסילוני מנטיס חייב להיות קפיץ.
06:45
There needs to be some kind of spring-loaded mechanism
121
380000
3000
צריך להיות איזה שהוא מנגנון טעינת קפיץ
06:48
in order to generate the amount of force that we observe,
122
383000
2000
בכדי לייצר את כמות הכוח שאנחנו צפינו בו,
06:50
and the speed that we observe, and the output of the system.
123
385000
3000
והמהירות שאנחנו ראינו, והפלט של המערכת.
06:53
So we thought, OK, this must be a spring --
124
388000
3000
אז חשבנו, אוקיי, זה חייב להיות קפיץ --
06:56
the saddle could very well be a spring.
125
391000
2000
האוכף בהחלט יכול להיות הקפיץ.
06:58
And we went back to those high-speed videos again,
126
393000
2000
וחזרנו שוב לאותם סרטונים במהירות גבוהה,
07:00
and we could actually visualize the saddle compressing and extending.
127
395000
6000
ויכולנו למעשה לראות את האוכף מתכווץ ומתארך.
07:06
And I'll just do that one more time.
128
401000
3000
ואני אראה זאת עוד פעם אחת.
07:09
And then if you take a look at the video --
129
404000
2000
ואם תראו את הווידאו --
07:11
it's a little bit hard to see -- it's outlined in yellow.
130
406000
2000
זה קצת קשה לראות -- זה מותווה בצהוב.
07:13
The saddle is outlined in yellow. You can actually see it
131
408000
2000
האוכף מותווה בצהוב. אתם ממש יכולים לראות את זה
07:15
extending over the course of the strike, and actually hyperextending.
132
410000
4000
מתארך במהלך החבטה, למעשה אפילו היפר מאורך.
07:19
So, we've had very solid evidence showing
133
414000
2000
אם כך, הייתה לנו עדות מוצקה המראה
07:21
that that saddle-shaped structure actually compresses and extends,
134
416000
4000
שהמבנה דמויי אוכף באמת נדחס ומתארך,
07:25
and does, in fact, function as a spring.
135
420000
2000
ואכן, למעשה, מתפקד כאוכף.
07:27
The saddle-shaped structure is also known as a "hyperbolic paraboloid surface,"
136
422000
5000
המבנה דמויי אוכף ידוע גם כמשטח בצורת היפרפרבולה,
07:32
or an "anticlastic surface."
137
427000
2000
או משטח אנטי-קלאסטי.
07:34
And this is very well known to engineers and architects,
138
429000
2000
וזה דבר הידוע למהנדסים ולארכיטקטים,
07:36
because it's a very strong surface in compression.
139
431000
3000
מכיוון שזהו משטח חזק מאוד בדחיסה.
07:39
It has curves in two directions,
140
434000
2000
יש לו עקומות בשני כיוונים,
07:41
one curve upward and opposite transverse curve down the other,
141
436000
3000
עקומה אחת כלפיי מעלה, והשנייה הפוכה כלפיי מטה,
07:44
so any kind of perturbation spreads the forces
142
439000
3000
כך שכל סוג של תזזית מחלקת את הכוחות
07:47
over the surface of this type of shape.
143
442000
3000
על-פני השטח של סוג כזה של מבנה.
07:50
So it's very well known to engineers, not as well known to biologists.
144
445000
4000
אז זה ידוע היטב למהנדסים, אך לא ידוע כזה טוב לביולוגים.
07:54
It's also known to quite a few people who make jewelry,
145
449000
4000
זה גם ידוע לדי הרבה אנשים שעושים תכשיטים,
07:58
because it requires very little material
146
453000
3000
מכיוון שנצרך מעט מאוד חומר
08:01
to build this type of surface, and it's very strong.
147
456000
3000
בכדי לבנות סוג כזה של מבנה, והוא חזק מאוד.
08:04
So if you're going to build a thin gold structure,
148
459000
2000
אז אם אתם הולכים לבנות מבנה דק מזהב,
08:06
it's very nice to have it in a shape that's strong.
149
461000
2000
אז כדאי שזה יהיה במבנה שהוא חזק.
08:08
Now, it's also known to architects. One of the most famous architects
150
463000
5000
זה גם ידוע לארכיטקטים. אחד הארכיטקטים המוכרים יותר
08:13
is Eduardo Catalano, who popularized this structure.
151
468000
3000
הוא אדוארדו קאטלאנו, שהפך את המבנה הזה לפופולרי.
08:16
And what's shown here is a saddle-shaped roof that he built
152
471000
3000
ומה שניתן לראות כאן זה גג דמויי אוכף שהוא בנה
08:19
that's 87 and a half feet spanwise.
153
474000
4000
בגודל של 26 מטר לרוחב.
08:23
It's two and a half inches thick, and supported at two points.
154
478000
3000
והוא בעובי של 6.5 סנטימטר, ונתמך בשתי מקומות.
08:26
And one of the reasons why he designed roofs this way is because it's --
155
481000
5000
ואחת הסיבות בגינה הוא עיצב גגות בצורה זו הייתה בגלל --
08:31
he found it fascinating that you could build such a strong structure
156
486000
4000
הוא אהב את הרעיון שאפשר לבנות מבנה כזה חזק
08:35
that's made of so few materials and can be supported by so few points.
157
490000
4000
שעשוי מכל-כך מעט חומרים ויכול להיתמך על-ידיי כל-כך מעט נקודות תמיכה.
08:39
And all of these are the same principles that apply
158
494000
4000
וכל אלה הם אותם עקרונות שתקפים
08:43
to the saddle-shaped spring in stomatopods.
159
498000
2000
לקפיץ דמויי אוכף שקיים בסטומאטופוד.
08:45
In biological systems it's important not to have a whole lot
160
500000
3000
במערכות ביולוגיות זה חשוב שלא יהיה יותר מדי
08:48
of extra material requirements for building it.
161
503000
3000
דרישות לחומרים כדי לבנות.
08:51
So, very interesting parallels between the biological
162
506000
3000
אז, הקבלות מאוד מעניינות בין עולמות הביולוגיה
08:54
and the engineering worlds. And interestingly, this turns out --
163
509000
4000
וההנדסאות. ובאופן מעניין, זה הפך להיות --
08:58
the stomatopod saddle turns out to be the first
164
513000
2000
אוכף הסטומאטופוד הפך להיות
09:00
described biological hyperbolic paraboloid spring.
165
515000
3000
מוגדר כקפיץ ההיפרבולי הביולוגי הראשון.
09:03
That's a bit long, but it is sort of interesting.
166
518000
3000
זה מעט ארוך, אבל זה די מעניין.
09:06
So the next and final question was, well, how much force
167
521000
3000
אז השאלה הבאה והסופית הייתה, ובכן, כמה כוח
09:09
does a mantis shrimp produce if they're able to break open snails?
168
524000
4000
מייצר חסילון המנטיס אם הם מצליחים לפצח חלזונות?
09:13
And so I wired up what's called a load cell.
169
528000
2000
אז אני חיברתי מה שנקרא תא עומס.
09:15
A load cell measures forces, and this is actually
170
530000
2000
תא עומס מודד כוחות, וזהו למעשה
09:17
a piezoelectronic load cell that has a little crystal in it.
171
532000
3000
צלחת עומס פיאזואלקטרית בה יש קריסטלים קטנים.
09:20
And when this crystal is squeezed, the electrical properties change
172
535000
4000
וכאשר הקריסטלים האלו נמחצים, התכונות החשמליות משתנות
09:24
and it -- which -- in proportion to the forces that go in.
173
539000
2000
וזה -- אשר -- בפרופורציה לכוחות שנכנסות פנימה.
09:26
So these animals are wonderfully aggressive,
174
541000
3000
החיות הללו הן אגרסיביות להדהים,
09:29
and are really hungry all the time. And so all I had to do
175
544000
3000
ובאמת רעבות כל הזמן. כך שכל שהיה עליי לעשות
09:32
was actually put a little shrimp paste on the front of the load cell,
176
547000
3000
היה למעשה למרוח משחת שרימפס על פני צלחת העומס,
09:35
and they'd smash away at it.
177
550000
2000
והם ריסקו את זה.
09:37
And so this is just a regular video of the animal
178
552000
4000
זהו סרטון רגיל של החיה
09:41
just smashing the heck out of this load cell.
179
556000
3000
מרסקת ללא רחם את צלחת העומס.
09:44
And we were able to get some force measurements out.
180
559000
3000
והצלחנו למדוד את חלק מהכוחות שנוצרו.
09:47
And again, we were in for a surprise.
181
562000
2000
ושוב, עמדו להיות מופתעים.
09:49
I purchased a 100-pound load cell, thinking,
182
564000
2000
רכשתי צלחת עומס של 45 קילו, בחושבי,
09:51
no animal could produce more than 100 pounds at this size of an animal.
183
566000
4000
ששום בעל חיים בגודל כזה לא יוכל לייצר יותר.
09:55
And what do you know? They immediately overloaded the load cell.
184
570000
2000
ומה אתם יודעים, הם מיד עשו העמסת יתר לצלחת העומס.
09:57
So these are actually some old data
185
572000
2000
אז אלו הם פיסות מדע ישנה
09:59
where I had to find the smallest animals in the lab,
186
574000
2000
בהן הייתי צריכה למצוא את החיות הקטנות ביותר במעבדה,
10:01
and we were able to measure forces of well over 100 pounds
187
576000
3000
ויכולנו למדוד כוחות של הרבה מעל 45 קילו
10:04
generated by an animal about this big.
188
579000
3000
אשר נוצרו בידיי חיה בגודל כזה.
10:07
And actually, just last week I got a 300-pound load cell
189
582000
2000
ולמעשה, רק בשבוע שעבר השגתי צלחת עומס של 136 קילו
10:09
up and running, and I've clocked these animals generating
190
584000
3000
שתעבוד, ואני תיזמנתי את החיות הללו מייצרות
10:12
well over 200 pounds of force.
191
587000
2000
הרבה מעל 90 קילו של כוח.
10:14
And again, I think this will be a world record.
192
589000
3000
ושוב, אני חושבת שזה יהיה שיא עולמי.
10:17
I have to do a little bit more background reading,
193
592000
2000
אני צריכה לעשות קצת יותר קריאה של חומר רקע,
10:19
but I think this will be the largest amount of force produced
194
594000
3000
אבל אני חושבת שזה יהיה כמות הכוח הגדולה ביותר שנוצרה
10:22
by an animal of a given -- per body mass. So, really incredible forces.
195
597000
5000
בידיי חיה ביחס למסת גופה. אז, באמת כוחות מדהימים.
10:27
And again, that brings us back to the importance of that spring
196
602000
3000
ושוב, זה מחזיר אותנו לחשיבותו של הקפיץ
10:30
in storing up and releasing so much energy in this system.
197
605000
4000
בהיותו אוגר ומשחרר כל-כך הרבה אנרגיה במערכת.
10:34
But that was not the end of the story.
198
609000
2000
אבל זה לא היה סופו של הסיפור.
10:36
Now, things -- I'm making this sound very easy, this is actually a lot of work.
199
611000
3000
עכשיו, דברים -- אני גורמת לזה להשמע קל מאוד, אבל למעשה זה הרבה עבודה.
10:39
And I got all these force measurements,
200
614000
2000
והיה לי את כל הממצאים האלו של הכוחות,
10:41
and then I went and looked at the force output of the system.
201
616000
4000
ואז הלכתי להסתכל על פליטת הכוח של המערכת.
10:45
And this is just very simple -- time is on the X-axis
202
620000
3000
וזה פשוט מאוד -- הזמן הוא על ציר ה X
10:48
and the force is on the Y-axis. And you can see two peaks.
203
623000
3000
והכוח הוא על ציר ה Y. ואתם יכולים לראות שני שיאים.
10:51
And that was what really got me puzzled.
204
626000
4000
וזה באמת מה שגרם לי לתהות.
10:55
The first peak, obviously, is the limb hitting the load cell.
205
630000
3000
השיא הראשון, באופן מובן, הוא כאשר הגפה מכה בצלחת העומס.
10:58
But there's a really large second peak half a millisecond later,
206
633000
6000
אבל ישנו שיא גדול שני אחרי חצי אלפית השנייה,
11:04
and I didn't know what that was.
207
639000
2000
ולא ידעתי מה זה היה.
11:06
So now, you'd expect a second peak for other reasons,
208
641000
3000
עכשיו, הייתם מצפים לשיא שני מסיבות אחרות,
11:09
but not half a millisecond later.
209
644000
2000
אבל לא אחרי חצי אלפית השנייה.
11:11
Again, going back to those high-speed videos,
210
646000
2000
ושוב, חוזרים לאותם סרטונים במהירות גבוהה,
11:13
there's a pretty good hint of what might be going on.
211
648000
4000
יש רמז די טוב למה שמתרחש שם.
11:17
Here's that same orientation that we saw earlier.
212
652000
2000
הנה אותו קטע שראינו לפני-כן.
11:19
There's that raptorial appendage -- there's the heel,
213
654000
3000
הנה הגפה הרפטלית -- הנה העקב,
11:22
and it's going to swing around and hit the load cell.
214
657000
3000
והוא הולך להיות מונף ולהכות בצלחת העומס.
11:25
And what I'd like you to do in this shot is keep your eye on this,
215
660000
3000
ומה שאני רצה שתעשו בקטע הזה, זה לשם לב לזה,
11:28
on the surface of the load cell, as the limb comes flying through.
216
663000
5000
על משטח צלחת העומס, כאשר הגפה מתעופפת אליה.
11:33
And I hope what you are able to see is actually a flash of light.
217
668000
5000
ואני מקווה שמה שתוכלו לראות הוא למעשה הבזק של אור.
11:38
Audience: Wow.
218
673000
2000
קהל: וואו.
11:40
Sheila Patek: And so if we just take that one frame, what you can actually see there
219
675000
4000
שילה פאטק: אז אם ניקח רק את הפריים הזה, מה שתוכלו לראות שם
11:44
at the end of that yellow arrow is a vapor bubble.
220
679000
3000
בקצה החץ הצהוב היא בועת אד.
11:47
And what that is, is cavitation.
221
682000
2000
וזהו למעשה, מיעור.
11:49
And cavitation is an extremely potent fluid dynamic phenomenon
222
684000
4000
ומיעור הוא תופעה קיצונית הקיימת בדינמיקת נוזלים
11:53
which occurs when you have areas of water
223
688000
3000
שמתרחשת כאשר יש לך איזורי מים
11:56
moving at extremely different speeds.
224
691000
2000
הזזים במהירויות שונות.
11:58
And when this happens, it can cause areas of very low pressure,
225
693000
4000
וכאשר זה קורה, זה יכול ליצור איזורי לחץ נמוך,
12:02
which results in the water literally vaporizing.
226
697000
3000
שבסופו של דבר התוצאה היא התייאדות של המים.
12:05
And when that vapor bubble collapses, it emits sound, light and heat,
227
700000
4000
וכאשר בועת האד מתמוטטת, היא מייצרת צליל, אור וחום,
12:09
and it's a very destructive process.
228
704000
2000
זהו תהליך מאוד הרסני.
12:11
And so here it is in the stomatopod. And again, this is a situation
229
706000
5000
וכאן הוא נמצא בסטומאטופוד. ושוב, גם כאן זוהי סיטואציה
12:16
where engineers are very familiar with this phenomenon,
230
711000
3000
אותה מהנדסים מכירים,
12:19
because it destroys boat propellers.
231
714000
2000
מכיוון שזה הורס מדחפי סירות.
12:21
People have been struggling for years to try and design
232
716000
3000
אנשים נאבקו עם זה שנים וניסו לעצב
12:24
a very fast rotating boat propeller that doesn't cavitate
233
719000
4000
מדחף סירה מסתובב מהיר מאוד שלא מתמוטט
12:28
and literally wear away the metal and put holes in it,
234
723000
2000
ושוחק את המתכת ויוצר בה חורים,
12:30
just like these pictures show.
235
725000
2000
כמו שהתמונות הללו מראות.
12:32
So this is a potent force in fluid systems, and just to sort of take it one step further,
236
727000
9000
אז זהו כוח רב עוצמה במערכות נוזלים, ורק כדי לקחת את זה צעד אחד קדימה,
12:41
I'm going to show you the mantis shrimp approaching the snail.
237
736000
3000
אני הולכת להראות לכם חסילון מנטיס מתקרב לחלזון.
12:44
This is taken at 20,000 frames per second, and I have to give
238
739000
4000
זה צולם ב- 20,000 פריימים לשנייה, ואני חייבת לתת
12:48
full credit to the BBC cameraman, Tim Green, for setting this shot up,
239
743000
4000
קרדיט לצלם ה-BBC, טים גרין, שארגן את הצילום הזה,
12:52
because I could never have done this in a million years --
240
747000
3000
כי לא הייתי יכולה לעשות את זה גם לא בעוד מיליון שנה.
12:55
one of the benefits of working with professional cameramen.
241
750000
3000
אחד היתרונות של לעבוד עם צלם מקצועי.
12:58
You can see it coming in, and an incredible flash of light,
242
753000
4000
אתם יכולים לראות את זה מגיע, ואז ניצוץ של אור מרהיב,
13:02
and all this cavitation spreading over the surface of the snail.
243
757000
4000
ופני השטח של החלזון מתבקעים בכל מיני מקומות.
13:06
So really, just an amazing image,
244
761000
3000
אז באמת, פשוט תמונה מופלאה,
13:09
slowed down extremely, to extremely slow speeds.
245
764000
4000
מואטת באופן קיצוני, לכדי מהירויות מאוד איטיות.
13:13
And again, we can see it in slightly different form there,
246
768000
3000
ושוב, נוכל לראות את זה מנקודת מבט שונה מכאן,
13:16
with the bubble forming and collapsing between those two surfaces.
247
771000
4000
עם הבועה שנוצרת ומתמוטטת בין שני המשטחים הללו.
13:20
In fact, you might have even seen some cavitation going up the edge of the limb.
248
775000
5000
למעשה, ייתכן וראיתם את הגפה מתבקעת מעט בקצה.
13:25
So to solve this quandary of the two force peaks:
249
780000
3000
אז כדי לפתור את תהיית שני השיאים:
13:28
what I think was going on is: that first impact is actually
250
783000
2000
מה שאני חושבת שהתרחש הוא, הפגיעה הראשונה היא למעשה
13:30
the limb hitting the load cell, and the second impact is actually
251
785000
3000
הגפה שחובטת בצלחת העומס, והפגיעה השנייה היא למעשה
13:33
the collapse of the cavitation bubble.
252
788000
2000
ההתמוטטות של בועת המיעור.
13:35
And these animals may very well be making use of
253
790000
3000
והחיות הללו ככל הנראה משתמשות
13:38
not only the force and the energy stored with that specialized spring,
254
793000
4000
לא רק בכוח ובאנרגיה הנאגרת בקפיץ שעוצב למטרה מסויימת,
13:42
but the extremes of the fluid dynamics. And they might actually be
255
797000
4000
אלא גם בקיצוניות של דינמיקת הנוזלים. וייתכן שהם למעשה
13:46
making use of fluid dynamics as a second force for breaking the snail.
256
801000
4000
משתמשים הדינמיקת הנוזלים ככוח שני לשבירת החלזונות.
13:50
So, really fascinating double whammy, so to speak, from these animals.
257
805000
6000
אז, באמת סוג של 'וואמי כפול' מהמם, מהחיות הללו.
13:56
So, one question I often get after this talk --
258
811000
2000
אז, שאלה אחת שאני נשאלת לעיתים קרובות אחרי ההרצאה הזו --
13:58
so I figured I'd answer it now -- is, well, what happens to the animal?
259
813000
3000
אז שיערתי לעצמי שאני אענה עליה עכשיו -- היא, ובכן, מה קורה לבעל החיים?
14:01
Because obviously, if it's breaking snails,
260
816000
3000
מכיוון שכמובן, אם זה שובר את החלזונות,
14:04
the poor limb must be disintegrating. And indeed it does.
261
819000
3000
הגפה האומללה בטח נמצאת בתהליכי התפוררות. ואכן זה נכון.
14:07
That's the smashing part of the heel on both these images,
262
822000
3000
זה החלק המרסק של העקב בשתי התמונות הללו,
14:10
and it gets worn away. In fact, I've seen them wear away
263
825000
2000
והוא נשחק. למעשה, ראיתי אותם שוחקים
14:12
their heel all the way to the flesh.
264
827000
2000
את העקב שלהם עד לבשר.
14:14
But one of the convenient things about being an arthropod
265
829000
3000
אבל אחד הדברים הנוחים בהיותך ממשפחת פרוקי הרגליים
14:17
is that you have to molt. And every three months or so
266
832000
3000
הוא שעלייך להשיר. וכל שלושה חודשים בערך
14:20
these animals molt, and they build a new limb and it's no problem.
267
835000
5000
החיות הללו משירות את המעטפת החיצונית, והן בונות גפה חדשה ללא בעיות.
14:25
Very, very convenient solution to that particular problem.
268
840000
4000
פתרון מאוד מאוד נוח לבעיה הספציפית הזו.
14:29
So, I'd like to end on sort of a wacky note.
269
844000
5000
אז, הייתי רוצה לסיים בסוג של הערה מטורפת.
14:34
(Laughter)
270
849000
3000
(צחוק)
14:37
Maybe this is all wacky to folks like you, I don't know.
271
852000
4000
אולי כל זה מעט מטורף עבורכם, אני לא יודעת.
14:41
(Laughter)
272
856000
1000
(צחוק)
14:42
So, the saddles -- that saddle-shaped spring --
273
857000
3000
אז, האוכפים -- אותם קפיצים דמויי אוכף --
14:45
has actually been well known to biologists for a long time,
274
860000
4000
היו ידועים למעשה לביולוגים הרבה זמן,
14:49
not as a spring but as a visual signal.
275
864000
4000
לא כקפיצים אלא כסממן וויזואלי.
14:53
And there's actually a spectacular colored dot
276
868000
2000
וישנה למעשה נקודה צבעונית נפלאה
14:55
in the center of the saddles of many species of stomatopods.
277
870000
6000
במרכז האוכפים הללו בהרבה זנים של סטומאטופודים.
15:01
And this is quite interesting, to find evolutionary origins
278
876000
3000
וזה די מעניין, למצוא מקורות אבולוציוניים
15:04
of visual signals on what's really, in all species, their spring.
279
879000
6000
של סממנים וויזואלים על מה שהוא למעשה, בכל הזנים, הקפיץ שלהם.
15:10
And I think one explanation for this could be
280
885000
2000
ואני חושבת שהסבר אחד לזה יכול להיות קשור
15:12
going back to the molting phenomenon.
281
887000
2000
בתופעת ההשרה.
15:14
So these animals go into a molting period where they're
282
889000
3000
החיות האלו נכנסות לתקופת השרה בה הן
15:17
unable to strike -- their bodies become very soft.
283
892000
3000
לא מסוגלות לחבוט -- הגופות שלהם נהיים מאוד רכים.
15:20
And they're literally unable to strike or they will self-destruct.
284
895000
3000
והם ממש לא מסוגלים לחבוט אחרת הם ישמידו את עצמם.
15:23
This is for real. And what they do is, up until that time period
285
898000
7000
ברצינות. ומה שהם עושים זה, עד לאותה תקופה
15:30
when they can't strike, they become really obnoxious and awful,
286
905000
3000
כאשר הם לא יכולים לחבוט, הם נהפכים להיות מאוד מעצבנים ונוראיים ,
15:33
and they strike everything in sight; it doesn't matter who or what.
287
908000
4000
והם מכים בכל דבר בסביבה, לא משנה מה או מי.
15:37
And the second they get into that time point when they can't strike any more,
288
912000
4000
ובשנייה בה הם נכנסים לאותו פרק זמן בו הם לא יכולים לחבוט יותר,
15:41
they just signal. They wave their legs around.
289
916000
3000
הם פשוט מסמנים. הם מנופפים ברגליהם.
15:44
And it's one of the classic examples in animal behavior of bluffing.
290
919000
4000
וזו אחת מהדוגמות הקלאסיות בהתנהגות חיות של בילוף.
15:48
It's a well-established fact of these animals
291
923000
2000
זו עובדה מבוססת שהחיות הללו
15:50
that they actually bluff. They can't actually strike, but they pretend to.
292
925000
4000
למעשה מבלפות. הם לא יכולות לחבוט, אבל הם מעמידות פנים שהן כן יכולות.
15:54
And so I'm very curious about whether those colored dots
293
929000
2000
ואני מאוד סקרנית לגבי האם הנקודות הצבעוניות הללו
15:56
in the center of the saddles are conveying some kind of information
294
931000
4000
במרכז האוכפים שלהם מוסרים איזה שהוא מידע
16:00
about their ability to strike, or their strike force,
295
935000
3000
על היכולת שלהם לחבוט, או על כוח החבטה,
16:03
and something about the time period in the molting cycle.
296
938000
3000
ועל משהו בנוגע למחזור הזמן לתקופה בה הם צריכים להשיר.
16:06
So sort of an interesting strange fact to find a visual structure
297
941000
5000
אז סוג של עובדה מעניינת למצוא מבנה וויזואלי
16:11
right in the middle of their spring.
298
946000
3000
ממש במרכז הקפיץ שלהם.
16:14
So to conclude, I mostly want to acknowledge my two collaborators,
299
949000
5000
אז לסיכום, אני בעיקר רוצה להודות לשני משתפי הפעולה שלי,
16:19
Wyatt Korff and Roy Caldwell, who worked closely with me on this.
300
954000
3000
וויט קרוף ורוי קולדוול, אשר עבדו איתי בצמוד על זה.
16:22
And also the Miller Institute for Basic Research in Science,
301
957000
3000
וכן גם למוסד מילנר למחקר בסיסי במדעים,
16:25
which gave me three years of funding to just do science all the time,
302
960000
4000
שנתן לי מימון לשלוש שנים רק בשביל לעסוק במדע כל הזמן,
16:29
and for that I'm very grateful. Thank you very much.
303
964000
3000
ועבור זה אני מודה מאוד. תודה רבה לכם.
16:32
(Applause)
304
967000
1000
(מחיאות כפיים)
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