Ultra-leistungsfähiger Roboter imitiert Bewegung des Fangschreckenkrebens

Ein interdisziplinäres Team von Roboterikern, Ingenieuren und Biologen an der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences der Universität Harvard hat einen neuen Roboter entwickelt, der den Schlag eines Fangschreckenkrebens nachahmen kann. Diese Kreaturen haben den stärksten Schlag aller dank ihrer keulenförmigen Anhängsel, die schneller beschleunigen als eine Kugel aus einer Waffe. Biologen haben lange versucht, zu verstehen, wie Fangschreckenkrebse diese ultra-schnellen Bewegungen produzieren, aber neue Hochgeschwindigkeits-Bildgebungs-Verfahren 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 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 der Fangschreckenkrebenschläge sind beispielsweise die Folge eines komplexen zugrunde liegenden Mechanismus. Durch den Bau eines robotischen Modells eines Fangschreckenkrebenschlag-Anhängsels 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 speziellen Fall von Fangschreckenkrebens gibt es zwei kleine Strukturen, die als Sclerite bezeichnet werden und in den Sehnen der Muskeln eingebettet sind und als Verriegelung des Anhängsels dienen.

Eine der bemerkenswerten Unterschiede zwischen Fangschreckenkrebens und anderen ähnlichen Organismen ist, dass die erstere eine Verzögerung aufweist, wenn die Sclerite in einem Fangschreckenkrebenschlag-Anhängsel auslösen.

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

“Wenn man den Schlagprozess mit einer Ultra-Hochgeschwindigkeitskamera betrachtet, gibt es eine Zeitverzögerung zwischen dem Auslösen der Sclerite und dem Abfeuern des Anhängsels”, 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 das Anhängsel in Position hält, aber niemand hat bisher analytisch verstanden, wie dieser andere Mechanismus funktioniert.”

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

“Wir wissen, dass Fangschreckenkrebse keine speziellen Muskeln im Vergleich zu anderen Krebsen 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 die Sclerite das Auslösen initiieren, glauben Biologen, dass die Geometrie des Anhängsels als sekundäre Verriegelung wirkt. 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 machte sich daran, 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 Fangschreckenkrebenschlags. Sie begannen mit den verriegelten Scleriten und endeten mit dem Schlag des Anhängsels.

Die Forscher fanden heraus, dass nach dem Auslösen der Sclerite die Geometrie des Mechanismus das Anhängsel in Position hält, bis es 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, wie Schlägen, erzeugen.”

Der Prozess wurde in einem 1,5-Gramm-Garnelen-skaligen Roboter nachgeahmt. Obwohl er nicht die Geschwindigkeit eines Fangschreckenkrebenschlags erreichte, zeigte 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 Entdeckungen für mehrere Felder hervorbringen kann”, sagte Patek. “Der Prozess des Baus eines physischen Modells und der Entwicklung des mathematischen Modells führte uns dazu, unsere Kenntnisse über die Mechanik des Fangschreckenkrebenschlags zu überdenken und, allgemeiner, zu entdecken, wie Organismen und synthetische Systeme Geometrie verwenden können, um extremen Energiefluss während ultra-schneller, wiederholter Bewegungen zu kontrollieren.”

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

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