Schopnosti přistání gekonů by mohly být použity v robotice

Vědci z Kalifornské univerzity v Berkeley a Institutu Maxe Plancka pro inteligentní systémy ve Stuttgartu v Německu ukázali, jak gekoni používají své ocasy k manévrování ve vzduchu. Tato schopnost jim umožňuje opravit se při pádu po ztrátě přilnavosti a může jim také pomoci při pohybu po hladině rybníka.

Zjištění budou zveřejněna tento týden v Příroda časopis Komunikace biologie.

Tyto techniky jsou velmi užitečné v robotice a jsou již implementovány v robotech podobných gekonům.

Překvapivé zjištění o gekonech

Robert Full je profesorem integrativní biologie na UC Berkeley a Adria Jusufi je členkou fakulty na Výzkumné škole Maxe Plancka pro inteligentní systémy a bývalá doktorandka UC Berkeley. Ti dva učinili důležité a překvapivé nové zjištění, že gekoni také používají své ocasy, aby pomohli zotavit se, když udeřili hlavičkou do stromu. 

Srážky hlavou napřed jsou mezi gekony poměrně běžné a Jusufi to zdokumentoval pomocí vysokorychlostních videokamer.

"Pozorování gekonů z nadmořské výšky v baldachýnu deštného pralesa mi otevřelo oči." Před vzletem pohybovali hlavou nahoru a dolů a ze strany na stranu, aby před seskokem viděli cíl přistání, jako by chtěli odhadnout cestovní vzdálenost,“ řekl Jusufi.

Videa ukazují, že gekon, v tomto případě běžný asijský gekon ploskoocasý, se při čelním střetu se stromem chytí drápatými a vycpanými prsty za kmen. To pomáhá jeho hlavě a ramenům odrážet se a gekon má páku k přitlačení ocasu k trupu, což mu brání v převrácení dozadu.

"Některé z těchto ještěrek se zdaleka nezastaví, ale po dopadu stále zrychlují," řekl Jusufi. „Narážejí hlavou napřed, naklánějí hlavu přes paty v extrémním úhlu od svislice – vypadají jako stojan na knihy trčící od stromu – ukotveni pouze zadníma nohama a ocasem, když rozptylují energii nárazu. Vzhledem k tomu, že reflex zachycující pád probíhá tak rychle, mohlo základní mechanismus odhalit pouze zpomalené video.“

Podle vědců by tyto techniky mohla používat i další malá a lehká skákající zvířata, jako jsou ještěrky.

„Mohou mít delší klouzavé lety, které jsou spíše rovnovážné, a přistávají jinak, ale například pokud se snaží uniknout, rozhodnou se pro tento druh chování, částečně proto, že na velikosti záleží,“ řekl Full. „Když jste tak malí, máte možnosti, které nejsou řešením pro velké věci. Takže se jedná o jakési řešení zprostředkované tělem, které nemáte, pokud jste větší.“

Struktury podobné ocasům gekonů by mohly pomoci stabilizovat létající roboty, jako jsou drony, a pomoci jim přistát na svislých plochách.

Výzkumníci jsou první, kdo dokumentuje, matematicky modeluje a reprodukuje toto chování u měkkého robota. 

„Exaptace jsou struktury, které byly kooptovány pro mnoho chování, bez ohledu na to, pro co se tato struktura původně vyvinula, a zde je jedna, kterou byste nečekali,“ řekl Full. „Je vidět, jak tato neuvěřitelná schopnost robustnosti umožňuje tyto exaptace.“

"Až donedávna se ocasům nevěnovalo tolik pozornosti jako nohám nebo křídlům, ale lidé si nyní uvědomují, že bychom měli o těchto zvířatech uvažovat jako o pětinohých, svým způsobem - pentapedálním," řekl Jusufi.

Podle Fulla robotičtí inženýři přidávají robotům stále více funkcí a učí se, že mohou zavést novou součást pro každou schopnost. 

„S tím, jak vyvíjíme naše roboty a fyzické systémy, chtějí inženýři dělat stále více věcí. A hádejte co? V určitém okamžiku nemůžete robota optimalizovat pro všechno,“ řekl. „Abyste dosáhli tohoto chování, musíte použít věci i pro jiné účely.“

Stavba robota

Výzkumníci postavili robota s ocasem poté, co vytvořili jeho části pomocí Carbon M2, nejmodernější 3D tiskárny speciálně navržené pro měkké struktury. Chodidla byla vybavena suchým zipem, takže se mohl při kontaktu přilepit, a ocas měl mechanismus, který jej přitlačil dolů, když přední nohy narazí na povrch a sklouznou.

Podobný úspěch prokázal ocasní robot při tvrdých přistáních. V přírodě gekoni s ocasem úspěšně přistávají na svislých plochách, aniž by spadli v 87 % případů. Bezocasé roboty prokázaly schopnost úspěšně přistát v 15 % případů při zkouškách, ale nový ocasní robot dokázal při zkouškách přistát v 55 % případů.

Vědci také zjistili, že roboti s ocasem, který je poloviční než délka hlavy a těla dohromady, byli téměř stejně úspěšní jako roboti delší s délkou čenichu. Zjistili také, že roboti s krátkým ocasem vyžadovali dvojnásobnou sílu nohou, aby zůstali připevněni ke stromu.

Tým bude pokračovat ve studiu gekonů a hledat nové principy, které by se daly aplikovat na roboty, zejména měkké roboty na svislých površích.

„Evoluce není o optimalitě a dokonalosti, ale spíše o dostatečnosti. Řešení „tak akorát dobré“ vám skutečně poskytuje široké spektrum možností, abyste byli v náročných prostředích mnohem robustnější,“ řekl Full. „Evoluce vypadá spíše jako kutil, který nikdy doopravdy neví, co vyprodukuje, a využívá vše, co má k dispozici, aby vytvořil něco, co je funkční.“

„U malých stromových živočichů bez zjevných morfologických adaptací pro let se stále více zjišťuje, že vykazují překvapivou schopnost manévrování ve vzduchu. Fyzické modely měkkých robotů mohou pomoci rozluštit ovládání takových mechanicky zprostředkovaných řešení přistání,“ řekl Jusufi.