Nuevos conocimientos sobre la cinemática de natación de las tortugas marinas verdes salvajes (Chelonia mydas)

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 18151 (2022) Citar este artículo

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Biomecánicamente, las tortugas marinas podrían percibirse como aves del océano, ya que se deslizan y aletean con sus extremidades anteriores para producir las fuerzas necesarias para la locomoción, lo que convierte a las tortugas marinas en un animal interesante para estudiar. Sin embargo, ser una especie en peligro de extinción hace que el estudio de la biomecánica de las tortugas marinas sea un problema complejo de resolver, tanto técnica como éticamente, sin causar perturbaciones. Este trabajo desarrolla un procedimiento novedoso y no invasivo para desarrollar una cinemática tridimensional completa para tortugas marinas salvajes filmando a los animales en la Gran Barrera de Coral de Australia utilizando drones submarinos sin molestarlos. Descubrimos que los animales salvajes tenían patrones de natación muy diferentes a los de estudios anteriores con juveniles en cautiverio. Nuestros hallazgos muestran que la aleta sigue una trayectoria de circuito cerrado con un barrido extendido de la punta de la aleta hacia el centro del caparazón para crear un movimiento de aplauso. Lo hemos denominado “brazada de barrido” y, a diferencia de los modelos de cuatro etapas descritos anteriormente, crea un modelo de locomoción de natación en bicicleta de cinco etapas. El modelo presentado aquí podría conducir a una mejor comprensión de los métodos de propulsión de las tortugas marinas y su interacción fluido-estructura.

La biomecánica locomotora de las tortugas marinas comparte similitudes con la de las aves, dado que se deslizan y aletean con sus extremidades anteriores para producir las fuerzas necesarias para la locomoción. De hecho, en estudios recientes, análisis filogenómicos han demostrado que las tortugas son el grupo hermano de las aves1. Sin embargo, a diferencia de las aves que requieren generación de sustentación para permanecer en el aire, las tortugas marinas pueden ajustar su flotabilidad para volverse casi completamente neutral2. Por lo tanto, la generación de sustentación no es totalmente necesaria ya que su fuerza de flotación puede ser suficiente. Se ha demostrado que el empuje hacia adelante generado por las tortugas al nadar ocurre casi por completo durante el movimiento descendente, utilizando sus aletas curvadas en forma de perfil aerodinámico3,4. Anteriormente se ha descrito que la carrera descendente es dos veces más rápida que la carrera ascendente, y normalmente produce un patrón en forma de ocho3,4,5,6. Investigaciones anteriores generalmente han ilustrado que las tortugas marinas aplican un ángulo de ataque (AOA) de sus aletas pectorales3,4 para que el animal pueda generar las cargas hidrodinámicas necesarias para nadar. Sin embargo, esto no es del todo exacto ya que la aleta genera un AOA variable en toda su envergadura al girar la extremidad anterior.

Las tortugas marinas son especies migratorias con viajes de un extremo a otro de miles de kilómetros7,8,9. Tener una representación matemática de su locomoción de natación ayudaría enormemente a responder si el estilo de natación de las tortugas marinas es o no un factor en su éxito migratorio. Estudios anteriores han aplicado modelos bidimensionales simplificados de estilos de natación inspirados en tortugas10,11,12. Sin embargo, las características hidrodinámicas que influyen en la propulsión dependen en gran medida de la cinemática13,14,15, lo que sugiere que si bien la investigación realizada hasta la fecha proporciona un enfoque rudimentario para ayudar a describir el mecanismo de propulsión, no contiene todos los factores relacionados. Diversos estudios han ilustrado la locomoción natural de las tortugas marinas3,4,16,17,18,19,20. Sin embargo, estos estudios a menudo recopilaron datos sobre jóvenes mantenidos en cautiverio sin describir los patrones en forma matemática. Por lo tanto, aún se desconoce la descripción del nado natural de las tortugas marinas salvajes, así como si se diferencia de un juvenil en cautiverio.

Desarrollar un modelo matemático para describir los patrones naturales de las aletas de la tortuga es tremendamente complejo por varias razones. Entre las dificultades, la cuestión más compleja proviene de producir una recopilación de datos dentro de su hábitat natural para garantizar que su entorno no imponga un patrón de natación anormal. Las técnicas actuales de última generación, como la reconstrucción de la morfología en movimiento con rayos X (XROMM)21,22, requieren una configuración única que sería poco práctica o imposible de implementar en un entorno marino. Técnicas como esta no sólo son poco prácticas, sino que recibir la aprobación de la ética animal para poner una especie en peligro de extinción en un laboratorio para estudiar su biomecánica crea más obstáculos.

Este artículo describe un proceso no invasivo para filmar los patrones de nado de las tortugas marinas y el giro de las extremidades anteriores a través de una cámara de video conectada a un vehículo submarino operado remotamente (ROV). Las películas formaron la base para generar la reconstrucción de patrones biomecánicos matemáticos en 3D. Ya se han filmado tortugas marinas con un ROV antes23,24. Sin embargo, hasta donde sabemos, este trabajo es el primer informe sobre la recopilación y análisis de la cinemática de las aletas de tortugas utilizando un ROV submarino. Este artículo también incluye el desarrollo y la aplicación de un método de procesamiento de datos original para descubrir la cinemática 3D completa del movimiento de la aleta de la tortuga.

Para recopilar datos detallados sobre la cinemática de las tortugas salvajes, se decidió filmarlas en su entorno natural. El rodaje se produjo durante un programa de tres semanas en la Gran Barrera de Coral de Australia, y el enfoque cambió ligeramente según la ubicación. Todos los permisos y aprobaciones de ética animal se obtuvieron de la Autoridad de Parques Marinos del Gobierno de Australia (número de referencia G21/45637.1), y todos los métodos se realizaron de acuerdo con las directrices y protocolos aprobados. Durante este tiempo sólo se observaron tortugas marinas verdes (Chelonia mydas). La primera mitad de la recopilación de datos se realizó en la isla Fitzroy, Cairns, Australia, utilizando un ROV que se muestra en la Fig. 1a desplegado desde la costa sobre un arrecife marginal poco profundo. En promedio, se realizaron cuatro inmersiones por día, cada una con una duración aproximada de 30 minutos, registrándose la duración completa de la inmersión. La cámara utilizada fue programada para guardar el metraje en segmentos de 2 GB para minimizar las posibilidades de una pérdida total de datos. El ROV, en promedio, viajaría entre 25 y 75 m desde la playa hasta que se observaran las tortugas.

(a) ROV con cámara externa lanzado desde la embarcación inflable rígida. (b), interfaz de usuario del ROV que muestra a las tortugas marinas aplicando una rutina general de natación, (c) Velocidades de nado de las tortugas marinas desde el GPS GoPro, con asistencia para practicar snorkel desde la cima. La fotografía fue tomada en la isla Fitzroy usando la aplicación DJI fly IOS con un DJI mini 2. https://www.dji.com/nz/downloads/djiapp/dji-fly.

Se estableció una segunda ubicación en Heron Island, Queensland, Australia, y el procedimiento de filmación fue asistido con una embarcación inflable rígida para lanzar el ROV que se ve en la Fig. 1a. La recolección de datos sigue la misma rutina descrita para la primera ubicación. Sin embargo, el barco fue la plataforma de lanzamiento que permitió un mayor grado de hábitat y opciones de profundidad para garantizar que se capturara un conjunto completo de comportamientos naturales de natación.

En todo momento, durante el acercamiento a una tortuga, se mantuvo una distancia de aproximadamente 5 m para garantizar que el animal no fuera molestado y continuara con su patrón de nado habitual. En general, las tortugas no mostraron interés en el ROV y continuarían la locomoción como de costumbre. En raras ocasiones, encontramos que algunas tortugas incluso mostraron interés en el ROV y se acercaron a él para inspeccionarlo más de cerca por curiosidad. El ROV se puso en modo estacionario para permitir que el animal interactuara cuando esto ocurriera. Por lo tanto, el registro sólo se realizó si se observó a la tortuga nadando en su patrón general de nado. Este patrón se identificó con la tortuga produciendo oscilaciones completas de sus aletas pectorales con sus aletas traseras metidas hacia adentro y apuntando hacia atrás para reducir su resistencia a la presión, capturado en la Fig. 1b. La filmación se realizó desde los puntos de vista lateral, frontal y posterior con el ROV siguiendo a la tortuga, igualando su velocidad de nado para mantener a la tortuga centrada en la lente de la cámara. Este proceso demostró funcionar bien para filmar desde los lados; sin embargo, las tortugas a menudo ajustaban sus patrones de nado cuando intentaban filmar desde adelante o desde atrás. Las velocidades de nado de las tortugas se estimaron utilizando un buceador de superficie que sostenía una cámara con GPS siguiendo a las tortugas desde la superficie, como se ilustra en la Fig. 1c. Se observaron velocidades de natación de aproximadamente 0,2 a 1 m/s y se correlacionan bien con valores de investigaciones anteriores25,26,27,28,29.

El ROV utilizado (Chasing M2) estaba equipado con una correa de 200 m de largo conectada a un transmisor de mano. La cámara del ROV nunca se usó para filmar y solo se usó para brindar información al operador. El sistema tiene una profundidad de inmersión máxima de 100 m, sin embargo, solo se utilizó entre 2 y 30 m. El sistema está equipado con 8 propulsores EDF para permitir 6 DOF, lo que permite al ROV gestionar las corrientes oceánicas con velocidades de hasta 1,5 m/s. Se fabricó un adaptador impreso en 3D para permitir montar una cámara adicional en el chasis del ROV. La cámara (Paralenz, Vaquita) se configuró para filmar en Full HD 1080P, 240 fotogramas por segundo, lo que permite imágenes fluidas en cámara lenta. El metraje se almacenó en una tarjeta micro SD SanDisk extreme pro de 128 GB. La cámara fue seleccionada como la mejor opción disponible porque su cuerpo de aluminio delgado y resistente no requería una carcasa impermeable. Además, está equipada con una lente sin distorsión y una mayor compatibilidad con velocidades de cuadros en comparación con otras cámaras disponibles en ese momento.

El desafío en este trabajo fue extraer el movimiento absoluto de la aleta con respecto a la longitud recta del caparazón (SCL). El SCL ilustrado en la Fig. 2a se utilizó como marco de movimiento de referencia debido a que es un cuerpo rígido y, por lo tanto, no cambia de tamaño. Se dio prioridad a las imágenes de vista lateral debido a su colección más accesible y, además, esta orientación permitió una visión clara de la punta de la aleta de la tortuga para todos los valores de tiempo. El metraje de la película fue editado en software (VideoPad Professional, NCH Software). Este proceso implicó recortar y exportar el contenido en imágenes individuales que coincidieran con la velocidad de fotogramas de la película. Permitiendo así fotografías detalladas de la posición de la aleta con respecto al tiempo. Utilizando un sistema CAD (Solidworks 2019 SP5), las fotografías se importaron utilizando la función "imagen de boceto" y se ordenaron en el espacio de diseño en intervalos de tiempo de 0,1 s como se muestra en la Fig. 2b. Se seleccionó una sola imagen para crear una spline 2D alrededor del caparazón de la tortuga. Luego, esta spline 2D se colocó sobre cada imagen para garantizar que cada imagen no estuviera distorsionada y fuera adecuada para la recopilación de datos que se ve en la Fig. 2c. Este proceso también proporcionó un sistema de coordenadas de referencia para garantizar que los datos pudieran unirse con precisión. Después de confirmar que cada cuadro era apropiado, se podría colocar un punto de datos en la punta de la aleta de la tortuga para cada imagen como se muestra en la Fig. 2d. Luego se podría hacer un ensamblaje a partir de cada punta de la aleta utilizando la ranura 2D del caparazón como geometría de referencia observada en la Fig. 2e. Este proceso aseguró que la posición de la punta de la aleta estuviera posicionada con precisión con respecto al caparazón y el tiempo de la tortuga. Una vez finalizado, se produjo un archivo de pieza CAD que contiene el conjunto de datos. El proceso se repitió en siete sets de película separados, cinco sets de la isla Fitzroy y el resto de la isla Heron, Australia. Se aplicó un proceso similar a la película de vista frontal, sin embargo, sólo se obtuvieron con éxito cuatro muestras.

Ilustración de preparación de datos. (a) Medición de la longitud del caparazón recto de una tortuga marina (b), fotografías de la tortuga a intervalos de 0,1 s; (c), spline 2D alrededor del caparazón de la tortuga para que sirva como geometría de referencia; (d), punto de datos colocado en la punta de la aleta; (e), Conjunto de puntos de datos con referencia al caparazón y el tiempo.

Convertir las trayectorias de las aletas en 2D en un ejemplo en 3D requirió un proceso iterativo y repetitivo de ensamblar enlaces que representan el húmero (hombro a codo) y el antebrazo (de codo a punta de la aleta) de las tortugas que se muestran en la Fig. 3a. Los enlaces se modelaron en Solidworks como archivos de piezas individuales ".SLDPRT". El tamaño de cada enlace se determinó identificando la posición del hombro, codo y punta de la aleta de la tortuga desde la película lateral y frontal con imágenes de película importadas en CAD escaladas a SCL de aproximadamente 610 mm. Para garantizar que los enlaces modelados en CAD representen el húmero y antebrazo tenían una longitud anatómicamente correcta, se hicieron comparaciones con la anatomía esquelética de una tortuga marina real, como se ve en la Fig. 4b. Luego se creó un ensamblaje de Solidworks ".SLDASM". para ensamblar los enlaces en una extremidad 3D simplificada (Fig. 3a). Luego, la extremidad ensamblada podría rotarse en un ensamblaje de SolidWorks desde las articulaciones del hombro y el codo de la tortuga hasta su posición usando simultáneamente los datos bidimensionales y el intervalo correspondiente del video de las vistas lateral y frontal para limitar el posible movimiento de la extremidad visto en Figura 3b. Este proceso se siguió para cada punto de datos creando una representación 3D completa del trazo de la tortuga, como se ilustra en la Fig. 3c. Desde aquí, se podría generar un nuevo archivo "SLDPRT" que consta del punto de datos 3D con respecto al tiempo representado en la Fig. 3d. Estos puntos consistían en la punta de la aleta, el codo y el hombro y se crearon iniciando un "boceto 3D" y acoplando cada punto concéntricamente a las articulaciones y al punto de rotación de interés de la Fig. 3c.

Preparación de datos. (a), Miembro simplificado de las tortugas marinas; (b), Rotación de la extremidad en CAD, en posiciones 3D utilizando datos frontales y laterales bidimensionales como referencia; (c), conjunto completo de movimiento de las extremidades visto desde los planos xy y zy; (d), Conversión del movimiento de la extremidad en puntos de datos x, y, z de la punta de la aleta, el punto de rotación del codo y el hombro, visto desde el plano xy y un punto de vista isométrico.

(a) Esqueleto del brazo humano (creado por Henri et George/Shutterstock.com), (b) Esqueleto de la aleta de la tortuga carey. (c) Ejemplo de rotación del antebrazo.

El archivo "SLDPRT" que contiene todos los puntos de datos a lo largo del eje x,y,z se exportó como un tipo de archivo ".igs". Este tipo de archivo permite ver y limpiar los datos en un software de procesamiento de texto simple (Bloc de notas). Luego, los datos se importaron a una suite de computación numérica (Matlab) para tener una "serie de Fourier" equipada con los datos x, y, z representados por las “Ecs. (1)–(3)”:

Los coeficientes de Fourier se resolvieron con la función de Matlab "fourier8" para dar a las funciones ocho términos con la variable de tiempo definida como la velocidad de fotogramas utilizada para recopilar los datos originales. Se agregó una variable “\({s}_{f}\)” a las funciones para permitir que se aplique un factor de escala para modificar las funciones para adaptarse a tortugas de varios tamaños. La aplicación de un “\({s}_{f}\)” igual a uno fue representativa de una tortuga con SCL igual a 610 mm y se definió como:

donde \({s}_{d}\) es el SCL deseado en mm si se requiere escala. Para comprender la tasa de cambio de posición y velocidad de la aleta, las funciones de posición se diferenciaron con respecto al tiempo para crear la velocidad de la aleta, “Ec. (5)–(7)” y aceleración expresada como “Ec. (8)–(10)”:

La estructura esquelética que soporta el movimiento de la aleta de la tortuga marina desde un punto de vista mecánico es homóloga al esqueleto del brazo humano que se ve en las figuras 4a, b. Por ejemplo, en la Fig. 4c, se puede observar que el antebrazo humano puede crear una torsión desde el codo hasta la punta de los dedos sin ninguna rotación del húmero. Con base en esta suposición y en la evidencia observada en nuestro video, planteamos la hipótesis de que se puede modelar que el giro de la aleta tenga lugar entre la articulación del codo de la tortuga y la punta de la aleta.

El ángulo de torsión \(\theta (t)\) que se muestra en la Fig. 5c se definió usando la regla de la mano derecha basada en el plano que intercepta el húmero y el antebrazo con cero grados en línea con el eje x horizontal de ese plano. La cantidad de torsión producida por las tortugas se identificó comparando una geometría CAD detallada con las imágenes de la película en varios puntos a lo largo del recorrido ascendente y descendente, como se ve en las figuras 5a y b. La geometría CAD se torció, manteniendo una masa y un volumen constantes hasta que coincidió estrechamente con la aleta de la tortuga en la película. La torsión del modelo CAD se logró utilizando la herramienta "Flex" de Solidworks girando la geometría de la aleta entre un plano desde el codo hasta la punta de la aleta ilustrada en la Fig. 4c. Luego se almacenó numéricamente el ángulo de torsión utilizado con respecto al tiempo para las operaciones de posprocesamiento. Se utilizó Matlab en el mismo proceso que en el apartado anterior, ajustando una función de giro de la aleta con respecto al tiempo. Sin embargo, se utilizó una función por partes basada en una serie de Fourier como "Ec. (11)”:

Giro de aleta. (a), giro descendente de -72°; (b), giro ascendente de 28°; (c), Plano de referencia con 0° alineado con el eje x horizontal de la sección transversal del codo, que muestra además cómo el plano se mueve con la aleta de la tortuga para permanecer normal al eje de rotación.

donde \(\theta (t)\) representa el ángulo de giro en grados, los coeficientes \(a, b\) y \(c\) se resuelven usando las funciones de Matlab, “sin5” y “sin6” para dar cinco y seis términos para cada función. La cantidad exacta de flexión en cualquier punto de la aleta de la tortuga se podría encontrar aplicando la “Ec. (12)”, donde \(x\) es la posición de interés en la envergadura de la tortuga \((s)\).

Durante el período de observación se recogió aproximadamente un terabyte de película. Los escenarios de película adecuados fueron identificados por tortugas marinas que producían un patrón de locomoción completo de las extremidades anteriores, como se describió anteriormente. Por lo tanto, de la cantidad total de metraje recopilado, encontramos que sólo siete sets de filmación eran apropiados para vistas laterales, mientras que cuatro sets de filmación eran apropiados para vistas frontales. Este proceso de selección redujo los datos de aproximadamente un terabyte a dos gigabytes y un total de once conjuntos de películas.

Las observaciones mostraron que todas las tortugas filmadas (es decir, los once conjuntos seleccionados anteriormente) nadaron con el mismo patrón general que se muestra en la Fig. 6, que se asemeja a un circuito cerrado con un barrido extendido de la punta de la aleta hacia el centro del caparazón desde la posición sagital. avión. En ningún momento se observó el patrón en forma de ocho en el plano sagital previamente reportado por otros3,4,5,6. Sin embargo, el patrón completo en forma de ocho es evidente en los planos transversal y coronal. El ciclo promedio de latidos de las extremidades fue de 4,2 ± 0,32 s, lo que coincide estrechamente con observaciones de investigaciones anteriores25,30. Como se observa en la Fig. 6, hemos dividido el movimiento de la aleta en cinco etapas: “carrera descendente (DS)”, “carrera de barrido (SS)”, “carrera de recuperación uno (RS1)”, “carrera ascendente (US)” y “golpe de recuperación dos (RS2)”. Las etapas se definen en función de la posición de la punta de la aleta en el plano sagital, ya que este era el único punto de vista que brindaba una línea de visión clara hacia la punta de la aleta para todos los valores de tiempo. Para ayudar a simplificar la comparación de cada uno de los patrones de nado de la tortuga, se comparó el porcentaje de tiempo pasado en cada una de las cinco etapas. La Tabla 1 describe el tiempo empleado en cada una de las cinco etapas de los patrones de natación observados en animales salvajes. Nuestros hallazgos muestran que, independientemente de la tortuga observada, la frecuencia de los latidos de las extremidades y la corriente oceánica, el porcentaje de tiempo que la aleta pasó en cada una de las cinco etapas de movimiento fue muy similar.

Reconstrucción 3D completa del movimiento de la punta de la aleta a partir de un vídeo de observación. Las esferas de datos representan incrementos de tiempo de 0,084 s. Cuando se observa desde el plano sagital, las cinco etapas se pueden caracterizar de la siguiente manera: El movimiento descendente (DS) se caracteriza por el movimiento más rápido de las aletas con un ligero movimiento de recompensa. El golpe de barrido (SS) se caracteriza por un desplazamiento horizontal sustancial hacia el centro del caparazón. El primer movimiento de recuperación (RS1) se caracteriza por un movimiento lento y un modesto desplazamiento horizontal para recuperar la aleta en posición para el movimiento ascendente. La carrera ascendente (EE.UU.) se caracteriza por un recorrido lento, predominantemente recto, con un ligero movimiento hacia adelante. Y finalmente, el movimiento de recuperación dos (RS2) se caracteriza por la sección de movimiento más lento del movimiento para preparar la aleta para el movimiento descendente rápido. (a) Vista desde el plano coronal. (b) Vista 3D, (c) Vista desde el plano sagital. (d) Vista desde el plano transversal.

Esta sección se referirá continuamente a las Fig. 7 y 8, que detallan las cinco etapas de movimiento de las aletas. Todas las gráficas son representativas de una tortuga con SCL igual a 610 mm y “\({s}_{f}\)” igual a uno. Durante el “DS”, la punta de la aleta y el codo ruedan hacia abajo juntos, creando la parte más rápida del latido de la extremidad. El giro de la aleta durante el DS tiene su ángulo promedio más agresivo de −72,4 ± 2,5º, y el codo realiza su desplazamiento más significativo durante este tiempo. Visto desde el plano sagital, la punta de la aleta toma una trayectoria mayoritariamente recta, lo que representa el 19,7% ± 1,4% del ciclo de la extremidad. El movimiento “SS” comienza cuando el húmero comienza a disminuir y el codo acelera la extremidad anterior en un movimiento de barrido curvo hasta que la punta de la aleta alcanza aproximadamente la mitad de la longitud del caparazón. Durante esta sección de brazada, el giro de las aletas gira a 0°, colocando las dos aletas paralelas debajo del caparazón. Se puede observar que el codo comienza a elevarse antes de que la extremidad anterior llegue al final del SS, creando un movimiento de palmada similar al de los lobos marinos31. En general, el SS representó el 19% ± 1,1% del ciclo de la extremidad. “RS1” es un movimiento lento del húmero y la extremidad anterior para permitir que la tortuga se prepare para el movimiento ascendente flexionando la extremidad anterior a un valor promedio de 27,9 ± 4,8°. En general, el RS1 representó el 19% ± 1,5% del ciclo total de la extremidad. El "EE.UU." se produjo aproximadamente al 50% de la velocidad de descenso, lo que coincide con hallazgos anteriores3. En todo Estados Unidos, se observó un giro promedio constante de las aletas de 27,9 ± 4,8°. En general, Estados Unidos representó el 28% ± 1,4% del ciclo de las extremidades y parecía completamente pasivo en movimiento. La sección final, "RS2", es el movimiento más lento del ciclo de latidos de las extremidades. Durante este proceso, el giro de la aleta recorre su rotación más extensa desde 27,9 ± 4,8° a − 72,4 ± 2,5°, lo que representa el 14% ± 2,2% del ciclo total de la extremidad. La posible razón del lento movimiento del RS2 es ayudar a reducir la turbulencia durante el cambio agresivo en el giro de las aletas, reduciendo así potencialmente el coeficiente de resistencia.

Cinemática de las aletas de las extremidades anteriores trazada contra el tiempo. Punto de rotación del hombro ubicado en (92,5, 305, 27,6) (mm). Todas las gráficas representan una tortuga de SCL igual a 610 mm. (a) Posición de la punta de la aleta en x, (b) Posición de la punta de la aleta en y, (c) Posición de la punta de la aleta en z, (d) Trayectoria de la punta de la aleta en el plano x, y. (e) Ruta de la punta de la aleta 3D. (f) Velocidad de la punta de la aleta en x, (g) Velocidad de la punta de la aleta en y, (h) Velocidad de la punta de la aleta en z, (i) Giro de la aleta.

Cinemática del codo trazada contra el tiempo. Punto de rotación del hombro ubicado en (92,5, 305, 27,6) (mm). Todas las gráficas representan una tortuga de SCL igual a 610 mm. (a) Posición del codo de la aleta en x, (b) Posición del codo de la aleta en y, (c) Posición del codo de la aleta en z, (d) Trayectoria del codo de la aleta en el plano x, y. (e) Ruta del codo de aleta 3D. (f) Velocidad del codo de la aleta en x, (g) Velocidad del codo de la aleta en y, (h), Velocidad del codo de la aleta en z.

Como la combinación de conjuntos separados de datos bidimensionales crea incertidumbre en el modelo, ayudamos a verificar los resultados comparando gráficamente nuestro modelo tridimensional con varios conjuntos de imágenes de tortugas nadando. Dicha verificación muestra una buena correlación visual entre todos los conjuntos de imágenes (Fig. 9a) y nuestro modelo (Fig. 9b). Como se muestra en la Fig. 9a, en cuatro especímenes diferentes (Fig. 9a.1–a.4), aunque las trayectorias de las aletas diferían ligeramente de una tortuga a otra, se observaron correlaciones excelentes entre las cinco etapas de las aletas, con la natación general patrón evidente en todos los especímenes que produjeron oscilaciones completas del ala. Por ejemplo, las esferas azules que representan el movimiento descendente, se puede observar que esto produce la sección más rápida del ciclo de la extremidad, y cada esfera representa intervalos de tiempo de 0,1 s para la Fig. 9a. Además, se puede ver que el movimiento descendente produce un pequeño movimiento horizontal de recompensa. Las esferas rosadas que producen el trazo de barrido se pueden observar en todas las muestras para producir grandes cantidades de desplazamiento horizontal en las Fig. 9a.1 y a.2, con un movimiento de palmada como se ve en las Fig. 9a.3 y a.4. El movimiento de recuperación uno, mostrado en esferas verdes, se puede observar en todos los ejemplares con un considerable desplazamiento horizontal de movimiento lento para recuperar la aleta en una posición adecuada para el movimiento ascendente. El movimiento ascendente que se muestra en esferas moradas se puede ver en todos los especímenes para producir un movimiento vertical lento con niveles bajos de movimiento hacia adelante. Como se ve en las Fig. 9a.3 y a.4, el movimiento ascendente se cruza con el movimiento descendente para crear una trayectoria en forma de ocho antes de llegar finalmente al movimiento de recuperación dos, donde la aleta se desplaza a baja velocidad hasta una posición adecuada para el movimiento. golpe descendente agresivo. Además, se creó un programa "MATLAB" (disponible en documentos complementarios en: tortuga_flipper.m con animaciones precompiladas que se muestran en las figuras S2-S4) para verificar el movimiento de la aleta. El programa resuelve el modelo tridimensional para producir una animación tridimensional en vivo del movimiento de las aletas dando retroalimentación gráfica ilustrativa, donde el modelo presentado en este trabajo se compara visualmente con el movimiento de las aletas de las tortugas marinas verdes salvajes.

Comparación de varias tortugas marinas filmadas en diferentes lugares y momentos con el modelo tridimensional propuesto. (a) Trayectorias de las aletas observadas en cuatro esferas de especímenes de tortugas marinas diferentes dentro de la figura que representa la posición de la punta de la aleta en incrementos de 0,1 s. (b) La trayectoria de la aleta del modelo 3D propuesto con esferas dentro de la figura representa la posición de la punta de la aleta en incrementos de 0,084 s.

Presentamos un modelo de locomoción de natación en bicicleta de cinco etapas, en contraste con los anteriores de cuatro etapas5,6, agregando un nuevo hallazgo que hemos denominado brazada de barrido. Según los hallazgos de trabajos anteriores, este modelo también podría representar la natación de la tortuga carey4 y la tortuga boba20. Nuestros resultados no proporcionaron evidencia de un patrón en forma de ocho en el plano sagital previamente informado3,4,5,6. En cambio, mostró un circuito cerrado con un barrido extendido de la punta de la aleta hacia el centro del caparazón para crear un movimiento de aplauso barrido. Sin embargo, es evidente un patrón en forma de ocho en los planos transversal y coronal. Aunque nuestros métodos para crear modelos tridimensionales se generaron a partir de datos bidimensionales, creando así lo que podría llamarse la mejor suposición, hemos ilustrado una excelente correlación entre el modelo en comparación con las imágenes de natación natural. Además, las ventajas de este proceso de recopilar datos del hábitat natural del animal sin molestarlo superan con creces cualquier desventaja en comparación con los métodos de recopilación de datos más tradicionales. Esto podría llevar potencialmente a que otros animales sean analizados mediante filmación con tecnologías de drones submarinos no invasivos. El modelo presentado aquí podría conducir a una mejor comprensión de los métodos de propulsión de las tortugas marinas y su interacción fluido-estructura.

Todos los conjuntos de datos para el estudio actual están disponibles a través de los autores previa solicitud razonable, contactando al autor por correspondencia.

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Descargar referencias

Centro de Rehabilitación de Tortugas de Cairns y en particular a la directora Jennifer Gilbert por facilitar la recopilación de datos y la contribución en la logística. Fitzroy Island Resort por facilitar sus instalaciones durante la recopilación de datos en Fitzroy Island. Asamblea MAG por contribuir con el patrocinio en equipamiento y recolección de datos. Blue Planet Marine por contribuir con la logística y facilitar al Dr. Dan Godoy como parte del equipo de expedición y el trabajo de campo. Personal de la Estación de Investigación Heron Island de la Universidad de Queensland por su apoyo y asesoramiento durante la recopilación de datos en Heron Island. Escuela AGE de Nueva Zelanda por su contribución al equipamiento de investigación. Autoridad del Parque Marino de la Gran Barrera de Coral del Gobierno de Australia, y en particular a Charlotte Russell, Asesora de Permisos-Ciencia, del departamento de Evaluación y Protección Ambiental, por su amabilidad y diligencia. Gowings Whale Trust por su ayuda con la logística y su estímulo para seguir trabajando.

BioDesign Lab, Universidad Tecnológica de Auckland, Auckland, 1010, Nueva Zelanda

Nick van der Geest, Lorenzo García y Roy Nates

Blue Planet Marine, Canberra, Australia

Daniel A. Godoy

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NvdG llevó a cabo la investigación, la adquisición de datos, el modelado y el análisis e interpretación de datos. LG contribuyó con el diseño de los experimentos, la metodología de investigación, la adquisición de datos y la supervisión de la expedición. DG contribuyó a la recopilación de datos, la interpretación de datos y la configuración experimental. RN contribuyó con el análisis e interpretación de datos. Todos los autores contribuyeron por igual a la generación y edición del artículo.

Correspondencia a Lorenzo García.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

van der Geest, N., García, L., Nates, R. et al. Nuevos conocimientos sobre la cinemática de natación de las tortugas marinas verdes salvajes (Chelonia mydas). Representante científico 12, 18151 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-21459-y

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Recibido: 28 de enero de 2022

Aceptado: 27 de septiembre de 2022

Publicado: 31 de octubre de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-21459-y

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