Ultra-Silný Robot Napodobuje Pohyb Mandělek

Mezioborový tým robotiků, inženýrů a biologů na Harvardově univerzitě Johna A. Paula School of Engineering and Applied Sciences vyvinul nový robot, který může napodobit úder mandělky. Tyto tvory mají nejrychlejší úder díky svým klubovitým přívěskům, které zrychluje rychleji než kulka z pistole. Biologové se dlouho snažili pochopit, jak mandělky produkují tyto ultra-rychle pohyby, ale nové high-speed imaging technologie přinášejí nové poznatky.

Výzkum byl zveřejněn v Proceedings of the National Academy of Sciences.

Robert Wood je profesor inženýrství a aplikovaných věd na Harvardově univerzitě Johna A. Paula School of Engineering and Applied Sciences. Je také hlavním autorem článku.

“Jsme fascinováni mnoha pozoruhodnými chováním, které vidíme v přírodě, zejména když toto chování překonává nebo dosahuje toho, co lze dosáhnout pomocí lidských zařízení,” řekl Wood. “Rychlost a síla úderů mandělek jsou důsledkem komplexního základního mechanismu. Stavěním robotického modelu úderné končetiny mandělky jsme schopni studovat tyto mechanismy v nezvyklém detailu.”

Mechanismy Zámku Mezi Malými Organismy

Malé organismy, jako jsou žáby a chameleoni, spoléhají na uvolnění mechanismu zámku, aby produkovaly ultra-rychle pohyby. Ukládají elastickou energii a rychle ji uvolňují prostřednictvím tohoto mechanismu zámku. V případě mandělek jsou dva malé struktury nazývané sklerity vloženy do šlach svalů a tyto slouží jako zámková končetina.

Jedním z pozoruhodných rozdílů mezi mandělkami a jinými podobnými organismy je, že mandělky mají zpoždění, když se sklerity odemknou v končetině mandělky.

Nak-seung Hyun je postdoktorandský výzkumník na SEAS a spoluautor článku.

“Když se podíváte na proces úderu na ultra-high-speed kameru, je zde zpoždění mezi uvolněním skleritů a výstřelem končetiny,” řekl Hyun. “Je to, jako by myš spustila past, ale místo aby to okamžitě cvaklo, je zde zpoždění, než to cvakne. Zjevně existuje jiný mechanismus, který drží končetinu na místě, ale nikdo nebyl schopen analyticky pochopit, jak tento mechanismus funguje.”

Emma Steinhardt je studentka na SEAS a první autorka článku.

“Víme, že mandělky nemají speciální svaly ve srovnání s jinými korýši, takže otázka je, zda-li to nejsou jejich svaly, které vytvářejí rychlé pohyby, pak musí existovat mechanický mechanismus, který produkuje vysoké zrychlení,” řekla Steinhardt.

Když sklerity iniciují odemknutí, biologové se domnívají, že geometrie končetiny slouží jako sekundární zámková končetina. To pomáhá kontrolovat pohyb končetiny, zatímco pokračuje v ukládání energie. Avšak tato teorie nebyla dosud testována.

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

Vývoj Robota Ve Velikosti Mandělky

Tým se rozhodl otestovat tuto hypotézu studiem mechaniky spojení systému před stavbou fyzického robotického modelu. Po stavbě robota tým vyvinul matematický model pohybu a mapoval čtyři odlišné fáze úderu mandělky. Začali se zamknutými sklerity a skončili se úderem končetiny.

Výzkumníci zjistili, že po uvolnění skleritů geometrie mechanismu přebírá kontrolu a drží končetinu na místě, dokud nedosáhne bodu překročení, než se zámková končetina uvolní.

“Tento proces kontroluje uvolnění uložené elastické energie a ve skutečnosti zvyšuje mechanický výstup systému,” řekla Steinhardt. “Geometrický zámkový proces odhaluje, jak organismy generují extrémně vysoké zrychlení v těchto krátkodobých pohybech, jako jsou údery.”

Proces byl napodoben v robotu o hmotnosti 1,5 gramu ve velikosti mandělky. Přestože nedosáhl rychlosti úderu mandělky, robot prokázal působivou rychlost 26 metrů za sekundu ve vzduchu. Tato rychlost znamená, že zařízení je rychlejší než jakékoli jiné zařízení stejné velikosti.

Shella Patek je spoluautorka a profesorka biologie na Dukeově univerzitě

“Tato studie ukazuje, jak mezioborová spolupráce může vést k objevům v několika oblastech,” řekla Patek. “Proces stavby fyzického modelu a vývoje matematického modelu nás vedl k přehodnocení našeho chápání mechaniky úderu mandělek a obecněji k objevu, jak organismy a syntetické systémy mohou využívat geometrii ke kontrole extrémního toku energie během ultra-rychle, opakovaných pohybů.”

Kombinací fyzických a analytických modelů získají biologové a robotici hlubší pochopení toho, jak určité organismy vykonávají mimořádné úkoly.

Dalšími spoluautory výzkumu jsou Je-sung Koh, Gregory Freeburn, Michelle H. Rosen a Fatma Zeynep Temel.