Schopnosti gekonů při nárazu mohli být využity v robotice

Výzkumníci z University of California, Berkeley a Max Planck Institute for Intelligent Systems ve Stuttgartu, Německo, prokázali, jak gekoni používají své ocasy k manévrování ve vzduchu. Tato schopnost jim umožňuje korigovat se, když padají po ztrátě gripu, a může jim také pomoci k pohybu po povrchu rybníka.

Zjištění budou zveřejněna tento týden v časopise Nature Communications Biology.

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

Překvapivé zjištění o gekonech

Robert Full je profesorem integrační biologie na University of California, Berkeley a Adria Jusufi je členem fakulty na Max Planck Research School for Intelligent Systems a bývalým doktorandem na University of California, Berkeley. Obě osoby učinily důležité a překvapivé nové zjištění, že gekoni také používají své ocasy k pomoci při pádu do stromu.

Hlavou první nárazy jsou poměrně časté u gekonů a Jusufi dokumentoval toto pomocí vysokorychlostních kamer.

“Pozorování gekonů z výšky v deštném pralese bylo otevřením očí. Před startem by se pohybovali hlavou nahoru a dolů a zleva doprava, aby viděli cíl přistání před skokem, jako by odhadovali vzdálenost,” řekl Jusufi.

Videa ukazují, že gekon, v tomto případě běžný asijský gekon, chytá kmen svými drápky a polštářky na nohou, když narazí hlavou na strom. To pomáhá jeho hlavě a ramenům odrazit se a gekon má páku, aby tlačil ocas proti kmeni, což brání jeho pádu dozadu.

“Daleko od toho, aby zastavili, některé z těchto plazů stále zrychlují při nárazu,” řekl Jusufi. “Narážejí hlavou, naklánějí se hlavou nad patami v extrémním úhlu od vertikály – vypadají jako stojan na knihy, který se odchyluje od stromu – ukotvený pouze zadními nohama a ocasem, zatímco rozkládají energii nárazu. S reflexem, který se vyskytuje tak rychle, pouze pomalé video mohlo odhalit základní mechanismus.”

Podle vědců mohou i jiná malá a lehká skokanská zvířata, jako jsou ještěrky, používat tyto techniky.

“Mohou mít delší klouzání, které je více vyvážené, a přistávají jinak, ale například, pokud se snaží uniknout, zvolí tento druh chování, částečně proto, že velikost má význam,” řekl Full. “Když jste tak malí, máte možnosti, které nejsou řešeními pro větší věci. Takže to je druh tělesně zprostředkovaného řešení, kterého nemáte, pokud jste větší.”

Struktury podobné ocasům gekonů by mohly být použity k pomoci stabilizovat létající roboty, jako jsou drony, aby přistáli na vertikálních površích.

Výzkumníci jsou první, kdo dokumentuje, matematicky modeluje a reprodukuje toto chování v softwarovém robotu.

“Exaptace jsou struktury, které byly převzaty pro mnoho chování, bez ohledu na to, pro co tato struktura původně vyvinula, a tady je jedna, kterou byste nečekali,” řekl Full. “Můžete vidět, jak tato úžasná schopnost být robustní umožňuje tyto exaptace.”

“Až donedávna ocas belum dostal tolik pozornosti jako nohy nebo křídla, ale lidé si nyní uvědomují, že bychom měli tyto zvířata považovat za pětinožká – pentapodiální,” řekl Jusufi.

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

“Jak jsme vyvíjeli naše roboty a fyzické systémy, inženýři všichni chtějí dělat více věcí. A hádejte, co? V某 okamžiku, nemůžete optimalizovat robota pro všechno,” řekl. “Musíte použít věci pro jiné chování, aby jste získali tato chování.”

https://www.youtube.com/watch?v=LXRAWypJBPI&t=3s

Stavba robota

Výzkumníci postavili robota s ocasem po vytvoření jeho částí pomocí Carbon M2, špičkového 3D tiskárny speciálně navržené pro měkké struktury. Nohy byly vybaveny suchým zipem, aby se mohly přichytit při kontaktu, a ocas měl mechanismus, který by tlačil dolů, když přední nohy narazily na povrch a sklouzly.

Robot s ocasem prokázal podobný úspěch při tvrdém přistání. V přírodě gekoni s ocasem úspěšně přistávají na vertikálních površích bez pádu 87% času. Bezocasí roboti prokázali schopnost přistát úspěšně 15% času v testech, ale nový robot s ocasem byl schopen přistát 55% času v testech.

Výzkumníci také zjistili, že roboti s ocasem poloviční délky hlavy a těla byli téměř stejně úspěšní jako delší, kteří měli délku ocasu rovnou délce hlavy a těla. Také zjistili, že krátkoocasí roboti vyžadovali dvakrát větší sílu nohou, aby zůstali přichyceni ke stromu.

Tým bude pokračovat ve studiu gekonů a hledat nové principy, které lze aplikovat na roboty, zejména měkké roboty na vertikálních površích.

“Evoluce není o optimalitě a dokonalosti, ale spíše o dostatečnosti. Řešení, které je dostatečně dobré, opravdu hraje do šířky schopností, takže jste mnohem robustnější v náročných prostředích,” řekl Full. “Evoluce vypadá více jako opravář, který nikdy neví, co vyrobí, a používá vše, co je k dispozici, aby vytvořil něco, co funguje.”

“Malá stromová zvířata bez zjevných morfologických adaptací pro let jsou stále více zjišťována, aby vykazovala překvapivou schopnost pro manévrování ve vzduchu. Měkké robotické fyzické modely mohou pomoci rozluštit kontrolu takových mechanicky zprostředkovaných řešení pro přistání,” řekl Jusufi.