Of the vast variety of animal gaits, one of the most striking is the non-planar undulating helical motion of a sidewinder. But non-planar helical gaits are not limited to sidewinders. Here we report a new non-planar gait used as an escape strategy in juvenile anacondas (Eunectes notaeus). In the S(tigmatic)-start, named for its eponymous shape, transient locomotion arises when the snake writhes and bends out of the plane while rolling forward about its midsection without slippage. We present a mathematical model for an active non-planar filament that interacts anisotropically with a frictional substrate to quantify our observations and show that locomotion is due to a propagating localized pulse of a topological quantity, the link density. A phase diagram as a function of scaled body size and muscular torques shows that relatively light juveniles are capable of S-starts but heavy adults are not, consistent with our experimental observations. We further show theoretically that a periodic sequence of S-starts naturally leads to sidewinding. All together, our characterization of a novel escape strategy in snakes using non-planar gaits highlights the role of topology in locomotion, provides a phase diagram for gait feasibility as a function of body size, and shows that the S-start forms the fundamental kernel underlying sidewinding.


翻译:在各种动物步态中,最引人注目的之一是侧面动蛇式非平面螺旋运动。但非平面螺旋步态并不仅限于侧面动蛇。在这里,我们报道了一种新的非平面步态,它是巨型水蟒(Eunectes notaeus)幼体用作逃生策略的一部分。在以其名字呼之为印痕式起步(S(tigmatic)-start)的过渡运动中,蛇在滚动身体中部并向外弯曲,而不会打滑,从而穿越平面。我们提出了一个数学模型,用于评估主动非平面线型与摩擦基板的各向异性相互作用,并通过传播局部涟漪的拓扑量-链密度来量化我们的观察结果。一个关于缩放尺寸和肌肉扭矩的相图显示了相对较轻的幼体能够进行印痕式起步,但重型成年蛇不能,这与我们的实验观察结果一致。我们进一步在理论上证明,印痕式起步的周期序列自然导致了侧面动蛇式。总之,我们对蛇类使用非平面步态的新颖逃生策略的描述突出了拓扑在运动中的作用,提供了一个作为体大小函数的步态可行性相图,以及显示印痕式起步形成了构成侧面动蛇式基本核心的证据。

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