روبوت فائق القوة يحاكي حركة سرطان المantis

فريق متعدد التخصصات من روبوتيين ومهندسين وعلماء أحياء في جامعة هارفارد جون أ. بولسون للمهندسة والتطبيقات العلمية طور روبوتًا جديدًا يمكنه محاكاة لكمة سرطان المانتيس. هذه الكائنات لها لكمة أقوى من أي كائن آخر بفضل أطرافها الشبيهة بالملعقة التي تتسارع أسرع من رصاصة من بندقية. وقد حاول علماء الأحياء لفترة طويلة فهم كيف ينتج سرطان المانتيس هذه الحركات الفائقة السرعة، ولكن التطورات الجديدة في التصوير عالي السرعة تسلط الضوء على هذا الموضوع.

نشر البحث في مجلة الأكاديمية الوطنية للعلوم.

روبرت وود هو أستاذ هاري لويس وماريلين ماكغراث للهندسة والتطبيقات العلمية في مدرسة هارفارد جون أ. بولسون للهندسة والتطبيقات العلمية. وهو أيضًا المؤلف الرئيسي للورقة.

“نحن مستمتعون بالعديد من السلوكيات الرائعة التي نراها في الطبيعة، خاصة عندما تتوافق هذه السلوكيات أو تتجاوز ما يمكن أن تنجزه الأجهزة المصنعة من قبل الإنسان”، قال وود. “سرعة وforce لكمة سرطان المانتيس، على سبيل المثال، هي نتيجة لآلية تحتية معقدة. من خلال بناء نموذج روبوتي لذراع سرطان المانتيس، نحن قادرون على دراسة هذه الآليات بالتفاصيل التي لم تكن متاحة من قبل”.

آليات القفل بين الكائنات الصغيرة

تعتمد الكائنات الصغيرة مثل الضفادع والتنين على إطلاق آلية قفل لإنتاج حركات فائقة السرعة. إنهم يخزّنون الطاقة المرنة ويطلقونها بسرعة من خلال آلية القفل. في حالة سرطان المانتيس، هناك هيكلان صغيران يسميان سكليريتين مغروسين في الأوتار العضلية ويتصرفان كآلية القفل للذراع.

إحدى الاختلافات الواضحة بين سرطان المانتيس والكائنات الأخرى المماثلة هي وجود تأخير عند إطلاق السكليريتين في ذراع سرطان المانتيس.

ناك-سونغ هيون هو باحث ما بعد الدكتوراه في مدرسة هارفارد جون أ. بولسون للهندسة والتطبيقات العلمية و هو المؤلف الأول المشترك للورقة.

“عندما تنظر إلى عملية الضرب على كاميرا فائقة السرعة، هناك تأخير زمني بين إطلاق السكليريتين و إطلاق الذراع”، قال هيون. “إنه كما لو أن الفأر أطلق فخ الفأر ولكن بدلاً من أن ينغلق على الفور، هناك تأخير ملحوظ قبل أن ينغلق. من الواضح أن هناك آلية أخرى تثبت الذراع في مكانها، ولكن لا أحد قد تمكن من فهم كيفية عمل الآلية الأخرى بشكل تحليلي”.

إيما شتاينهااردت هي طالبة دراسات عليا في مدرسة هارفارد جون أ. بولسون للهندسة والتطبيقات العلمية و هي المؤلفة الأولى للورقة.

“نحن نعرف أن سرطان المانتيس لا يمتلك عضلات خاصة مقارنة بالكراستاسيا الأخرى، لذلك السؤال هو، إذا لم تكن عضلاته تنتج الحركات السريعة، فهناك آلية ميكانيكية تنتج التسارعات العالية”، قالت شتاينهااردت.

عندما يبدأ السكليريتان في الإطلاق، يعتقد علماء الأحياء أن hìnhية الذراع تعمل كآلية قفل ثانوية. هذا يساعد في التحكم في حركة الذراع أثناء استمرارها في تخزين الطاقة. ومع ذلك، هذه مجرد نظرية غير مجربة.

https://www.youtube.com/watch?v=If4IURa2Joo

تطوير روبوت بمقياس سرطان المانتيس

أقدم الفريق على اختبار هذه الفرضية من خلال دراسة ميكانيكا الارتباط في النظام قبل بناء نموذج روبوتي مادي. بعد بناء الروبوت، طور الفريق نموذج رياضي للحركة وحدد أربع مراحل متميزة لضربة سرطان المانتيس. بدأوا bằng السكليريتين المغلقة واختتموا bằng ضربة الذراع.

وجد الباحثون أن بعد إطلاق السكليريتين، تتحكم hìnhية الآلية في إطلاق الذراع وتحتفظ بها في مكانها حتى تصل إلى نقطة مركزية قبل أن تُطلق.

“هذا العملية يتحكم في إطلاق الطاقة المرنة المخزنة ويفعل بالفعل الإخراج الميكانيكي للنظام”، قالت شتاينهااردت. “تظهر عملية القفل الهندسي كيف تنتج الكائنات الحية تسارعات فائقة في هذه الحركات القصيرة الأمد، مثل اللكمات”.

تم تقليد هذه العملية في روبوت بمقياس 1.5 غرام، بمقياس سرطان المانتيس. على الرغم من عدم وصوله إلى سرعة لكمة سرطان المانتيس، أظهر الروبوت سرعة مثيرة للإعجاب تبلغ 26 مترًا في الثانية في الهواء. هذه معدل تسارع يعني أن الجهاز أسرع من أي جهاز آخر بنفس المقاييس.

شيللا باتيك هي مؤلفة مشاركة وأستاذة أحياء في جامعة ديوك

“تظهر هذه الدراسة كيف يمكن للتعاونات متعددة التخصصات أن تؤدي إلى اكتشافات في مجالات متعددة”، قالت باتيك. “عملية بناء نموذج مادي وتطوير النموذج الرياضي أدتنا إلى إعادة النظر في فهم ميكانيكا ضربة سرطان المانتيس، وأوسع من ذلك، إلى اكتشاف كيف يمكن للكائنات الحية والنظم الاصطناعية استخدام الهندسة للتحكم في تدفق الطاقة الشديد خلال الحركات الفائقة السرعة والمتكررة”.

من خلال الجمع بين النماذج المادية والتحليلية، سيكتسب علماء الأحياء وروبوتيون فهمًا أعمق لكيفية قيام بعض الكائنات بمهام استثنائية.

المؤلفون المشاركون الآخرون في البحث يشملون جيسونغ كوه، غريغوري فريبورن، ميشيل إتش روزن، وفاطمة زينب تيميل.