Ultra-Kraftful Robot Efterligner Bevægelsen af Mantis Rejer

Et tværfagligt hold af roboticere, ingeniører og biologer ved Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences har udviklet en ny robot, der kan efterligne slaget fra en mantis reje. Disse dyr har det stærkeste slag af alle takket være deres klub-lignende udvidelser, der accelererer hurtigere end en kugle fra en pistol. Biologer har længe forsøgt at forstå, hvordan mantis rejer producerer disse ultra-hurtige bevægelser, men nye højhastighedsbilled-teknologier kaster nu nyt lys over det.

Forskningen er offentliggjort i den Proceedings of the National Academy of Sciences. 

Robert Wood er Harry Lewis og Maryln McGrath Professor of Engineering and Applied Sciences ved Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences ved Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS). Han er også senior forfatter af artiklen. 

“Vi er fascinerede af så mange bemærkelsesværdige adfærdsmønstre, vi ser i naturen, især når disse adfærdsmønstre møder eller overgår, hvad der kan opnås af menneskeskabte enheder,” sagde Wood. “Hastigheden og kraften af mantis reje-slag er f.eks. en konsekvens af en kompleks underliggende mekanisme. Ved at konstruere en robotmodel af en mantis reje-slagudvidelse kan vi studere disse mekanismer i en hidtil uset detaljerigdom.”

Låsemekanismer Hos Små Organismer

Små organismer som frøer og kamæleoner er afhængige af frigørelsen af en låsemekanisme for at producere ultra-hurtige bevægelser. De lagrer elastisk energi og frigør den hurtigt gennem denne låsemekanisme. I tilfældet med mantis rejer er to små strukturer kaldet scleriter indlejret i musklerne og fungerer som udvidelsens lås. 

En af de bemærkelsesværdige forskelle mellem mantis rejer og andre lignende organismer er, at de sidstnævnte har en forsinkelse, når scleriterne låser op i en mantis rejes udvidelse. 

Nak-seung Hyun er en postdoc-stipendiat ved SEAS og co-første forfatter af artiklen.

“Når du ser på slagprocessen med en ultra-højhastighedskamera, er der en tidsforsinkelse mellem, da scleriterne frigøres, og udvidelsen affyres,” sagde Hyun. “Det er, som om en musk trykkede på en musfælde, men i stedet for at den klikkede med det samme, var der en bemærkelsesværdig forsinkelse, før den klikkede. Der må være en anden mekanisme, der holder udvidelsen på plads, men ingen har kunnet forstå, hvordan denne anden mekanisme fungerer.”

Emma Steinhardt er en ph.d.-stipendiat ved SEAS og første forfatter af artiklen. 

“Vi ved, at mantis rejer ikke har specielle muskler i forhold til andre krebsdyr, så spørgsmålet er, hvis det ikke er deres muskler, der skaber de hurtige bevægelser, så må der være en mekanisk mekanisme, der producerer de høje accelerationer,” sagde Steinhardt.

Når scleriterne initierer låsning, mener biologer, at udvidelsens geometri fungerer som en sekundær lås. Dette hjælper med at kontrollere udvidelsens bevægelse, mens den fortsat lagrer energi. Men dette er kun en utestet teori. 

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

Udvikling Af En Reje-Skala Robot

Holdet satte sig for at teste denne hypotese ved at studere sammenhængen mellem mekanikken i systemet, før de konstruerede en fysisk, robotisk model. Efter at have bygget robotten udviklede holdet en matematisk model af bevægelsen og kortlagde fire distinkte faser af mantis-slaget. De startede med de låste scleriter og sluttede med udvidelsens slag. 

Forskerne fandt ud af, at efter at scleriterne låser op, overtager udvidelsens geometri og holder udvidelsen på plads, indtil den når et over-centeringspunkt, før låsen frigøres. 

“Denne proces kontrollerer frigørelsen af den lagrede elastiske energi og forbedrer faktisk den mekaniske output af systemet,” sagde Steinhardt. “Den geometriske låsemekanisme afslører, hvordan organismer genererer ekstremt høje accelerationer i disse korte varighedsbevægelser, som f.eks. slag.”

Processen blev efterlignet i en 1,5-grams, reje-skala robot. Selv om den ikke nåede hastigheden af et mantis reje-slag, demonstrerede robotten en imponerende hastighed på 26 meter per sekund i luften. Denne accelerationssats betyder, at enheden er hurtigere end enhver anden på samme skala. 

Shella Patek er co-forfatter og professor i biologi ved Duke University

“Denne studie eksemplificerer, hvordan tværfaglige samarbejder kan føre til opdagelser inden for flere fag,” sagde Patek. “Processen med at bygge en fysisk model og udvikle den matematiske model fik os til at genoverveje vores forståelse af mantis reje-slagmekanikken og, mere bredt, til at opdage, hvordan organismer og syntetiske systemer kan bruge geometri til at kontrollere ekstrem energiflow under ultra-hurtige, gentagne bevægelser.”

Ved at kombinere fysiske og analytiske modeller vil biologer og roboticere få en dybere forståelse af, hvordan visse organismer udfører ekstraordinære opgaver. 

Andre co-forfattere af forskningen inkluderer Je-sung Koh, Gregory Freeburn, Michelle H. Rosen og Fatma Zeynep Temel.