Благодаря особенной структуре множества усиков, расположенных на хоботе слона от корня до верхушки, животное обладает высокой чувствительностью к прикосновениям и способно ловко обращаться с небольшими и деликатными предметами.
В ходе эволюционного развития животные приобрели широкий спектр сенсорных систем, позволяющих им воспринимать окружающий мир, перемещаться, ориентироваться в условиях недостаточной освещенности, искать пропитание и избегать опасностей. Так, многие виды млекопитающих, такие как кошки и крысы, используют чувствительные волоски, известные как усы или вибриссы, для получения тактильной информации.
По всей поверхности хобота слона, от начала до конца, расположено около тысячи усиков, каждый из которых имеет длину примерно пять сантиметров. В отличие от вибрисс, которыми снабжены грызуны, эти усики не обладают специальными мышцами, позволяющими им вибрировать при контакте с предметами. Также, в отличие от вибрисс у крыс, слоновьи усики не восстанавливаются после повреждения.
Согласно выводам группы инженеров, материаловедов и нейробиологов, изложенным в их статье опубликована в журнале Science, усики, расположенные на слоновьем хоботе, имеют особенности, отличные от вибрисс грызунов и другие отличительные черты. Именно эти особенности обеспечивают слонам исключительную чувствительность, которая компенсирует толстый слой кожи и ограниченное зрение.
Используя микрокомпьютерную томографию и электронную микроскопию, исследователи установили, что основание каждого усика, расположенного на хоботе азиатского слона, отличается значительной толщиной, жесткостью и округлостью, а также содержит поры.
Твердое, пористое основание плавно переходит в мягкий, плотный и упругий кончик, имеющий конусообразную, овальную форму на срезе. Такая структура отличает слоновьи усики от усов крыс и мышей, которые равномерно жесткие по всей длине.
Постепенные изменения, переходящие от твердых к мягким, от пористых к плотным и от круглых к овальным формами, описываются как функциональные градиенты. Каждый из трех функциональных градиентов, свойственных покрывающим хобот усикам – геометрии, пористости и жесткости – оказывает влияние на тактильные ощущения слона.
Согласно результатам компьютерного моделирования, конусовидная овальная форма усика способствует более эффективному взаимодействию с различными поверхностями и текстурами, обеспечивая возможность выбора оптимального направления изгиба.
Благодаря переходу от пористого основания к плотному концу, масса усика уменьшается, что снижает вероятность его повреждения. Изменение от жесткого основания к мягкому кончику позволяет усику гнуться в различных направлениях, обеспечивая слону возможность точно определять точки соприкосновения усика с окружающей средой по всей его протяженности. Данная особенность помогает слону оценить расстояние до объекта и аккуратно обращаться даже с очень хрупкими предметами.
Вдохновленные функциональными градиентами, выявленными в слоновьих усиках, исследователи намерены создать инновационные роботизированные сенсорные системы.