Υπερ-Δυνατός Ρομπότ Μιμείται την Κίνηση του Καρκινοειδούς Μακρόχειρα

Μια διεπιστημονική ομάδα ρομποτικών, μηχανικών και βιολόγων στο Πανεπιστήμιο Χάρβαρντ Τζον Α. Πόλσον Σχολή Μηχανικής και Εφαρμοσμένων Επιστημών έχει αναπτύξει ένα νέο ρομπότ που μπορεί να μιμηθεί την κίνηση του καρκινοειδούς μακρόχειρα. Αυτά τα ζώα έχουν την ισχυρότερη κίνηση από οποιαδήποτε άλλη, χάρη στα κλαδικά ihnen που επιταχύνουν ταχύτερα από μια σφαίρα από ένα πιστόλι. Οι βιολόγοι έχουν προσπαθήσει για καιρό να κατανοήσουν πώς οι καρκινοειδείς μακρόχειρες παράγουν αυτές τις υπερ-ταχείς κινήσεις, αλλά новые προόδους στην υψηλής ταχύτητας εικόνα είναι φωτισμός νέου φωτός.

Η έρευνα δημοσιεύθηκε στο Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών.

Ο Ρόμπερτ Γούντ είναι ο καθηγητής Χάρι Λιούις και Μαίρυλν ΜακΓκραθ της Μηχανικής και Εφαρμοσμένων Επιστημών στο Πανεπιστήμιο Χάρβαρντ Τζον Α. Πόλσον Σχολή Μηχανικής και Εφαρμοσμένων Επιστημών (SEAS). Είναι επίσης ο старший συγγραφέας του εγγράφου.

“Είμαστε γοητευμένοι από πολλές αξιοσημείωτες συμπεριφορές που βλέπουμε στη φύση, ιδιαίτερα όταν αυτές οι συμπεριφορές συναντώνται ή υπερβαίνουν αυτά που μπορούν να επιτευχθούν από ανθρώπινα κατασκευασμένα συσκευές,” είπε ο Γούντ. “Η ταχύτητα και η δύναμη των κινήσεων του καρκινοειδούς μακρόχειρα είναι μια συνέπεια ενός σύνθετου υποκείμενου μηχανισμού. Κατασκευάζοντας ένα ρομποτικό μοντέλο του καρκινοειδούς μακρόχειρα, μπορούμε να μελετήσουμε αυτούς τους μηχανισμούς με ασυνήθιστη λεπτομέρεια.”

Μηχανισμοί Κλείδωσης Μεταξύ Μικρών Οργανισμών

Μικροί οργανισμοί όπως οι βάτραχοι και οι χαμαιλέοντες εξαρτώνται από την απελευθέρωση ενός μηχανισμού κλείδωσης για να παράγουν υπερ-ταχείς κινήσεις. Αποθηκεύουν ελαστική ενέργεια και την απελευθερώνουν γρήγορα μέσω του μηχανισμού κλείδωσης. Σε περίπτωση του καρκινοειδούς μακρόχειρα, δύο μικρές δομές που ονομάζονται σκληρίτες είναι εμβυθισμένες στους τένοντες των μυών και λειτουργούν ως το κλείδωμα του προσάρτηματος.

Μια από τις αξιοσημείωτες διαφορές μεταξύ του καρκινοειδούς μακρόχειρα και άλλων παρόμοιων οργανισμών είναι ότι ο πρώτος έχει μια καθυστέρηση όταν οι σκληρίτες απελευθερώνονται στο πρόσαρτημα του καρκινοειδούς μακρόχειρα.

Ο Νακ-σούνγκ Χιούν είναι μεταδιδακτορικός ερευνητής στο SEAS και συν-πρώτος συγγραφέας του εγγράφου.

“Όταν κοιτάξεις τη διαδικασία της κίνησης με μια υπερ-υψηλής ταχύτητας κάμερα, υπάρχει μια χρονική καθυστέρηση μεταξύ της απελευθέρωσης των σκληριτών και της κίνησης του προσαρτήματος,” είπε ο Χιούν. “Είναι σαν να πιέσεις ένα ποντίκι να ενεργοποιήσεις μια παγίδα, αλλά αντί να την κλείσεις αμέσως, υπάρχει μια αξιοσημείωτη καθυστέρηση πριν την κλείσεις. Υπάρχει明显ά ένα άλλο μηχανισμό που κρατά το πρόσαρτημα στη θέση του, αλλά κανείς δεν έχει μπορέσει να κατανοήσει αναλυτικά πώς λειτουργεί ο άλλος μηχανισμός.”

Η Έμμα Στάινχαρτ είναι μεταπτυχιακή φοιτήτρια στο SEAS και πρώτη συγγραφέας του εγγράφου.

“Ξέρουμε ότι οι καρκινοειδείς μακρόχειρες δεν έχουν ειδικούς μύες σε σύγκριση με άλλα καρκινοειδή, οπότε η ερώτηση είναι, αν δεν είναι οι μύες που δημιουργούν τις ταχείς κινήσεις, τότε πρέπει να υπάρχει ένας μηχανικός μηχανισμός που παράγει τις υψηλές επιταχύνσεις,” είπε η Στάινχαρτ.

Όταν οι σκληρίτες αρχίζουν να απελευθερώνονται, οι βιολόγοι πιστεύουν ότι η γεωμετρία του προσαρτήματος λειτουργεί ως δευτερεύον κλείδωμα. Αυτό βοηθά να ελέγξει την κίνηση του βραχίονα ενώ συνεχίζει να αποθηκεύει ενέργεια. Ωστόσο, αυτό είναι μόνο μια ανέκδοτη θεωρία.

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

Ανάπτυξη ενός Ρομπότ Κλίμακας Καρκινοειδούς Μακρόχειρα

Η ομάδα έθεσε ως στόχο να δοκιμάσει αυτή την υπόθεση μελετώντας τη μηχανική των συνδέσμων του συστήματος πριν από την κατασκευή ενός φυσικού, ρομποτικού μοντέλου. Μετά την κατασκευή του ρομπότ, η ομάδα ανέπτυξε ένα μαθηματικό μοντέλο της κίνησης και χαρτογράφησε τέσσερις διακριτές φάσεις της κίνησης του καρκινοειδούς μακρόχειρα. Ξεκίνησαν με τα κλειδωμένα σκληρίτες και ολοκλήρωσαν με την κίνηση του προσαρτήματος.

Οι ερευνητές βρήκαν ότι μετά την απελευθέρωση των σκληριτών, η γεωμετρία του μηχανισμού λαμβάνει τον έλεγχο και κρατά το πρόσαρτημα στη θέση του μέχρι να φτάσει σε ένα σημείο υπερ-κεντρικής before η απελευθέρωση του κλείδωματος.

“Αυτή η διαδικασία ελέγχει την απελευθέρωση της αποθηκευμένης ελαστικής ενέργειας και στην πραγματικότητα ενισχύει τη μηχανική έξοδο του συστήματος,” είπε η Στάινχαρτ. “Η γεωμετρική διαδικασία κλείδωσης αποκαλύπτει πώς τα ζώα παράγουν εξαιρετικά υψηλές επιταχύνσεις σε αυτές τις σύντομες κινήσεις, όπως οι πυγμαχίες.”

Η διαδικασία μιμήθηκε σε ένα ρομπότ κλίμακας 1,5 γραμμάριων.尽管 δεν έφτασε στην ταχύτητα της κίνησης του καρκινοειδούς μακρόχειρα, το ρομπότ επέδειξε μια εντυπωσιακή ταχύτητα 26 μέτρων ανά δευτερόλεπτο στον αέρα. Αυτή η ταχύτητα σημαίνει ότι η συσκευή είναι ταχύτερη από οποιαδήποτε άλλη στην ίδια κλίμακα.

Η Σέλλα Πέικ είναι συν-συγγραφέας και Καθηγήτρια Βιολογίας στο Πανεπιστήμιο Ντιούκ

“Αυτή η μελέτη δείχνει πώς οι διεπιστημονικές συνεργασίες μπορούν να οδηγήσουν σε ανακαλύψεις για πολλά πεδία,” είπε η Πέικ. “Η διαδικασία της κατασκευής ενός φυσικού μοντέλου και της ανάπτυξης του μαθηματικού μοντέλου μας οδήγησε να ξαναδούμε την κατανόησή μας για τη μηχανική της κίνησης του καρκινοειδούς μακρόχειρα και, πιο ευρύτερα, να ανακαλύψουμε πώς τα ζώα και τα συνθετικά συστήματα μπορούν να χρησιμοποιήσουν τη γεωμετρία για να ελέγξουν την ακραία ενέργεια κατά τη διάρκεια υπερ-ταχών, επαναλαμβανόμενων κινήσεων.”

Με την συνδυασμένη χρήση φυσικών και αναλυτικών μοντέλων, οι βιολόγοι και οι ρομποτικοί θα αποκτήσουν μια βαθύτερη κατανόηση του πώς某些 οργανισμοί αναλαμβάνουν εξαιρετικές εργασίες.

Άλλοι συν-συγγραφείς της έρευνας περιλαμβάνουν τους Je-sung Koh, Gregory Freeburn, Michelle H. Rosen και Fatma Zeynep Temel.