Ultra-leistungsfähiger Roboter imitiert Bewegung des Mantis-Garnelen

Ein interdisziplinäres Team von Robotikern, Ingenieuren und Biologen an der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences hat einen neuen Roboter entwickelt, der den Schlag eines Mantis-Garnelens imitieren kann. Diese Kreaturen haben den stärksten Schlag aller thanks to ihren keulenförmigen Anhängen, die schneller beschleunigen als eine Kugel aus einer Waffe. Biologen haben lange versucht, zu verstehen, wie Mantis-Garnelen diese ultra-schnellen Bewegungen produzieren, aber neue Hochgeschwindigkeits-Bildgebungs-Techniken werfen neues Licht auf das Thema.

Die Forschung wurde in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht.

Robert Wood ist der Harry Lewis und Maryln McGrath Professor of Engineering and Applied Sciences an der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS). Er ist auch der Senior-Autor des Papiers.

“Wir sind fasziniert von so vielen bemerkenswerten Verhaltensweisen, die wir in der Natur sehen, insbesondere wenn diese Verhaltensweisen das übertreffen, was von menschengemachten Geräten erreicht werden kann”, sagte Wood. “Die Geschwindigkeit und Kraft von Mantis-Garnelen-Schlägen sind beispielsweise eine Folge eines komplexen zugrunde liegenden Mechanismus. Durch den Bau eines robotischen Modells eines Mantis-Garnelen-Schlag-Anhängers können wir diese Mechanismen in unvergleichlichem Detail studieren.”

Verriegelungsmechanismen bei kleinen Organismen

Kleine Organismen wie Frösche und Chamäleons verlassen sich auf die Freigabe eines Verriegelungsmechanismus, um ultra-schnelle Bewegungen zu produzieren. Sie speichern elastische Energie und setzen sie schnell durch diesen Verriegelungsmechanismus frei. Im spezifischen Fall von Mantis-Garnelen sind zwei kleine Strukturen namens Sclerite in den Sehnen der Muskeln eingebettet und diese fungieren als Verriegelung des Anhängers.

Eine der bemerkenswerten Unterschiede zwischen Mantis-Garnelen und anderen ähnlichen Organismen ist, dass die former einen Verzögerung hat, wenn die Sclerite in einem Mantis-Garnelen-Anhänger entriegeln.

Nak-seung Hyun ist ein Postdoktorand an der SEAS und Co-Erster Autor des Papiers.

“Wenn man den Schlagprozess mit einer ultra-hochgeschwindigkeits-Kamera betrachtet, gibt es eine Zeitverzögerung zwischen dem Freigeben der Sclerite und dem Abfeuern des Anhängers”, sagte Hyun. “Es ist, als ob eine Maus eine Mausfalle auslöste, aber anstelle dessen, dass sie sofort zuschnappt, gibt es eine bemerkenswerte Verzögerung, bevor sie zuschnappt. Es gibt offensichtlich einen anderen Mechanismus, der den Anhänger in Position hält, aber niemand hat bisher analytisch verstanden, wie dieser andere Mechanismus funktioniert.”

Emma Steinhardt ist eine Doktorandin an der SEAS und Erster Autor des Papiers.

“Wir wissen, dass Mantis-Garnelen keine speziellen Muskeln im Vergleich zu anderen Krebstieren haben, also ist die Frage, wenn es nicht ihre Muskeln sind, die die schnellen Bewegungen erzeugen, dann muss es einen mechanischen Mechanismus geben, der die hohen Beschleunigungen produziert”, sagte Steinhardt.

Wenn Sclerite das Entriegeln initiieren, glauben Biologen, dass die Geometrie des Anhängers als sekundäre Verriegelung fungiert. Dies hilft, die Bewegung des Arms zu kontrollieren, während er weiterhin Energie speichert. Allerdings ist dies nur eine ungetestete Theorie.

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Entwicklung eines Garnelen-skaligen Roboters

Das Team setzte sich das Ziel, diese Hypothese zu testen, indem es die Verbindungsmechanik des Systems studierte, bevor es ein physisches, robotisches Modell baute. Nach dem Bau des Roboters entwickelte das Team ein mathematisches Modell der Bewegung und kartierte vier verschiedene Phasen des Mantis-Schlags. Sie begannen mit den verriegelten Scleriten und beendeten mit dem Schlag des Anhängers.

Die Forscher fanden heraus, dass nach dem Entriegeln der Sclerite die Geometrie des Mechanismus die Kontrolle übernimmt und den Anhänger in Position hält, bis er einen Überzentrierungspunkt erreicht, bevor die Verriegelung freigegeben wird.

“Dieser Prozess kontrolliert die Freigabe der gespeicherten elastischen Energie und erhöht tatsächlich die mechanische Ausgabe des Systems”, sagte Steinhardt. “Der geometrische Verriegelungsprozess zeigt, wie Organismen extrem hohe Beschleunigungen in diesen kurzen Dauerbewegungen erzeugen, wie Schläge.”

Der Prozess wurde in einem 1,5-Gramm-Garnelen-skaligen Roboter nachgebildet. Obwohl er nicht die Geschwindigkeit eines Mantis-Garnelen-Schlags erreichte, demonstrierte der Roboter eine beeindruckende Geschwindigkeit von 26 Metern pro Sekunde in der Luft. Diese Beschleunigungsrate bedeutet, dass das Gerät schneller ist als alle ähnlichen Geräte in gleicher Größe.

Shella Patek ist Co-Autor und Professorin für Biologie an der Duke University

“Diese Studie zeigt, wie interdisziplinäre Zusammenarbeit Erkenntnisse für mehrere Bereiche liefern kann”, sagte Patek. “Der Prozess des Bauens eines physischen Modells und der Entwicklung des mathematischen Modells führte uns dazu, unser Verständnis der Mantis-Garnelen-Schlagmechanik zu überdenken und, allgemeiner, zu entdecken, wie Organismen und synthetische Systeme Geometrie verwenden können, um extreme Energieflüsse während ultra-schneller, wiederholter Bewegungen zu kontrollieren.”

Durch die Kombination von physischen und analytischen Modellen werden Biologen und Roboter-Experten ein tieferes Verständnis dafür gewinnen, wie bestimmte Organismen außergewöhnliche Aufgaben ausführen.

Weitere Co-Autoren der Forschung sind Je-sung Koh, Gregory Freeburn, Michelle H. Rosen und Fatma Zeynep Temel.