Geckos’ kollisionssikkerhedsevner kunne bruges i robotteknologi

Forskere fra University of California, Berkeley og Max Planck Institute for Intelligent Systems i Stuttgart, Tyskland, har demonstreret, hvordan geckos bruger deres haler til at manøvrere i luften. Denne evne giver dem mulighed for at korrigere sig selv, når de falder efter at have mistet grebet, og den kan også hjælpe dem med at propelere overfladen af en dam.

Fundene vil blive offentliggjort denne uge i tidsskriftet Nature Communications Biology.

Disse teknikker er meget nyttige i robotteknologi, og de er allerede blevet implementeret i gecko-lignende robotter.

Overraskende fund om geckos

Robert Full er en professor i integreret biologi ved UC Berkeley, og Adria Jusufi er en medarbejder ved Max Planck Research School for Intelligent Systems og tidligere doktorstuderende ved UC Berkeley. De to har gjort et vigtigt og overraskende nyt fund, nemlig at geckos også bruger deres haler til at hjælpe med at genoprette sig, når de tager et hovedstød mod et træ.

Hoved-først-kollisioner er ret almindelige blandt geckos, og Jusufi har dokumenteret dette med højhastighedsvideo-kameraer.

“At observere geckos fra højden i regnskoven var øjenåbnende. Før afrejse ville de flytte deres hoved op og ned og fra side til side for at se målet før de sprang af, som om de ville estimere rejseafstanden,” sagde Jusufi.

Videoerne viser, at geckoen, i dette tilfælde den almindelige asiatiske fladhalede husgecko, griber træstammen med sine kloede og puderde tæer, når den kolliderer hoved-først med træet. Dette hjælper dens hoved og skuldre med at gensende, og geckoen har mulighed for at presse sin hale mod træstammen, hvilket forhindrer, at den vælter bagover.

“Langt fra at stalle, accelererer nogle af disse firbenede stadig, da de rammer,” sagde Jusufi. “De kolliderer hoved-først, vipper tilbage hoved-over-hæl i en ekstrem vinkel fra den lodrette – de ligner en bogreol, der stikker væk fra træet – og er kun fastgjort med deres bagben og hale, mens de ophæver kollisionsenergien. Med fald-arrest-refleksen sker så hurtigt, kan kun slow-motion-video afsløre den underliggende mekanisme.”

Ifølge forskerne kan andre små og lette hoppende dyr, som firben, også bruge disse teknikker.

“De kan have længere glideflugter, der er mere ligevægtsglideflugter, og de lander anderledes, men hvis de fx forsøger at undslippe, vælger de at gøre denne type adfærd, delvist fordi størrelse har betydning,” sagde Full. “Når du er så lille, har du muligheder, der ikke er løsninger for store ting. Så dette er en slags krop-medieret løsning, som du ikke har, hvis du er større.”

Strukturer, der ligner geckohaler, kunne bruges til at hjælpe med at stabilisere flyvende robotter som droner, så de kan lande på lodrette overflader.

Forskerne er de første, der har dokumenteret, matematisk modelleret og reproduceret dette adfærd i en blød robot.

“Exaptationer er strukturer, der er blevet overtaget til mange adfærdsmønstre, uanset hvad den oprindelige struktur udviklede sig til, og her er en, som du ikke ville forvente,” sagde Full. “Du kan se, hvordan den utrolige evne til at være robust kan give mulighed for disse exaptationer.”

“Indtil for nylig havde halen ikke fået så megen opmærksomhed som ben eller vinger, men folk begynder nu at forstå, at vi skal betragte disse dyr som fem-benede – pentapode,” sagde Jusufi.

Ifølge Full tilføjer robot-ingeniører stadig mere funktioner til robotterne, og de lærer, at de kan introducere en ny del for hver evne.

“Når vi udvikler vores robotter og fysiske systemer, vil ingeniørerne gerne gøre mere. Og gæt hvad? På et tidspunkt kan du ikke optimere en robot til alt,” sagde han. “Du må bruge ting til andre adfærdsmønstre for at få disse adfærdsmønstre.”

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

Bygning af robotten

Forskerne byggede en robotten med hale efter at have skabt dens dele med Carbon M2, en avanceret 3D-printer specifikt designet til bløde strukturer. Fødderne var udstyret med klæbende overflader, så den kunne klæbe fast ved kontakt, og halen havde en mekanisme, der ville presse den nedad, når de forreste ben ramte en overflade og gled.

Den robotten med hale demonstrerede lignende succes, da den udførte hårde landinger. I naturen lander geckos med hale succesfuldt på lodrette overflader uden at falde 87% af tiden. Robotter uden hale har demonstreret en evne til at lande succesfuldt 15% af tiden i tests, men den nye robotten med hale kunne lande 55% af tiden i tests.

Forskerne fandt også ud af, at robotter med halen halvt så lang som hovedet og kroppen kombineret var næsten lige så succesfulde som længere haler, der var snude-vent-længde. De fandt også ud af, at kort-halede robotter krævede dobbelt så megen fodkraft for at blive fastgjort til træet.

Holdet vil fortsætte med at studere geckos og søge efter nye principper at anvende på robotter, især bløde robotter på lodrette overflader.

“Evolution er ikke om optimering og perfektion, men snarere om tilstrækkelighed. Den ‘god-nok’-løsning giver dig en bredde af muligheder, så du er mere robust i udfordrende miljøer,” sagde Full. “Evolution ligner en mekaniker, der aldrig rigtig ved, hvad de vil producere, og bruger alt, der er til rådighed, til at lave noget, der er brugbart.”

“Små træ-boende dyr uden åbenlyse morfologiske tilpasninger til flyvning bliver stadig mere fundet at have overraskende evne til midt-i-luften-manøvrering. Bløde robot-fysiske modeller kan hjælpe med at afkode kontrollen af sådanne mekanisk-medierte løsninger til landing,” sagde Jusufi.