Ultra-Kraftfuld Robot Efterligner Mantis-Rejes Bevægelser

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 mantis-rejens slag. 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 højhastigheds-billedteknologier kaster nu nyt lys over dette.

Forskningen er offentliggjort i 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 mønstre møder eller overgår, hvad der kan opnås af menneskeskabte enheder,” sagde Wood. “Hastigheden og kraften af mantis-rejers slag er en konsekvens af en kompleks underliggende mekanisme. Ved at konstruere en robotmodel af en mantis-reje-slående udvidelse kan vi studere disse mekanismer i en hidtil uset detaljerigdom.”

Låsemekanismer Hos Små Organismer

Små organismer som frøer og kamæleoner afhænger 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-first forfatter af artiklen.

“Når du ser på slagprocessen på en ultra-højhastighedskamera, er der en tidsforsinkelse mellem, når scleriterne frigøres og udvidelsen affyres,” sagde Hyun. “Det er, som om en mus udløste en musfælde, men i stedet for at den knaldede straks, var der en bemærkelsesværdig forsinkelse, før den knaldede. Der må være en anden mekanisme, der holder udvidelsen på plads, men ingen har kunnet forstå, hvordan den anden mekanisme fungerer.”

Emma Steinhardt er en ph.d.-studerende ved SEAS og first 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 scleriter initierer låsning, mener biologer, at udvidelsens geometri fungerer som en sekundær lås. Dette hjælper med at kontrollere armens 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 mekanismerne i systemet, før de konstruerede en fysisk, robotmodel. Efter at have bygget robotten udviklede holdet en matematisk model af bevægelsen og kortlagde fire distinkte faser af mantis-rejens slag. De startede med de låste scleriter og sluttede med udvidelsens slag.

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

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

Processen blev efterlignet i en 1,5-grams reje-skala robot. Selv om den ikke nåede hastigheden af en 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 er et eksempel på, hvordan tværfaglige samarbejder kan føre til opdagelser i 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-rejers slag-mekanik 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.