Υπερ-Δυνατός Ρομπότ Μιμείται την Κίνηση της Γαρίδας Μάντις

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 της γαρίδας μάντις. Αυτά τα ζώα έχουν την ισχυρότερη κίνηση από οποιαδήποτε άλλη χάρη στις κλαδικές προεκτάσεις που επιταχύνουν γρηγορότερα από μια σφαίρα από ένα πιστόλι. Οι βιολόγοι έχουν προσπαθήσει για καιρό να κατανοήσουν πώς οι γαρίδες μάντις παράγουν αυτές τις υπερ-ταχείς κινήσεις, αλλά νέες προοπτικές υψηλής ταχύτητας εικόνων αποκαλύπτουν νέο φως.

Η έρευνα δημοσιεύθηκε στο Proceedings of the National Academy of Sciences. 

Ο Robert Wood είναι ο Καθηγητής Χάρι Λιούις και Μαίρυλν ΜακΓκραθ Μηχανικής και Εφαρμοσμένων Επιστημών στο Πανεπιστήμιο Χάρβαρντ Τζον Α. Πόλσον Σχολή Μηχανικής και Εφαρμοσμένων Επιστημών. Είναι επίσης ο συντάκτης του εγγράφου. 

“Είμαστε γοητευμένοι από πολλές αξιοσημείωτες συμπεριφορές που βλέπουμε στη φύση, ιδιαίτερα όταν αυτές οι συμπεριφορές συναντώνται ή υπερβαίνουν ό,τι μπορεί να επιτευχθεί από ανθρώπινα κατασκευασμένα συσκευές,” είπε ο Wood. “Η ταχύτητα και η δύναμη των κινήσεων της γαρίδας μάντις, για παράδειγμα, είναι μια συνέπεια ενός σύνθετου υποκείμενου μηχανισμού. Κατασκευάζοντας ένα ρομποτικό μοντέλο της κίνησης της γαρίδας μάντις, μπορούμε να μελετήσουμε αυτούς τους μηχανισμούς με ακαταμάχητο λεπτομέρεια.”

Μηχανισμοί Κλειδώματος Μεταξύ Μικρών Οργανισμών

Μικροί οργανισμοί όπως οι βάτραχοι και οι χαμαιλέοντες εξαρτώνται από την απελευθέρωση ενός μηχανισμού κλειδώματος για την παραγωγή υπερ-ταχών κινήσεων. Αποθηκεύουν ελαστική ενέργεια και την απελευθερώνουν γρήγορα μέσω του μηχανισμού κλειδώματος. Σε περίπτωση της γαρίδας μάντις, δύο μικρές δομές που ονομάζονται σκληρίτες είναι ενσωματωμένες στους τένοντες των μυών και λειτουργούν ως το κλείστρο της προέκτασης. 

Μια από τις αξιοσημείωτες διαφορές μεταξύ της γαρίδας μάντις και άλλων παρόμοιων οργανισμών είναι ότι η πρώτη έχει μια καθυστέρηση όταν οι σκληρίτες απελευθερώνονται στην προέκταση της γαρίδας μάντις. 

Ο Nak-seung Hyun είναι μεταδιδάκτωρ στο SEAS και συν-πρώτος συγγραφέας του εγγράφου.

“Όταν κοιτάξετε τη διαδικασία κρούσης σε μια υπερ-υψηλή ταχύτητα κάμερα, υπάρχει μια χρονική καθυστέρηση μεταξύ της απελευθέρωσης των σκληριτών και της προέκτασης,” είπε ο Hyun. “Είναι σαν να πιέζεις ένα ποντίκι να ενεργοποιήσει μια παγίδα ποντικών, αλλά αντί να κλείσει αμέσως, υπάρχει μια αξιοσημείωτη καθυστέρηση πριν κλείσει. Υπάρχει明 ràng ένα άλλο μηχανισμό που κρατά την προέκταση στη θέση της, αλλά κανείς δεν έχει μπορέσει να κατανοήσει αναλυτικά πώς λειτουργεί ο άλλος μηχανισμός.”

Η Emma Steinhardt είναι φοιτήτρια στο SEAS και πρώτη συγγραφέας του εγγράφου. 

“Ξέρουμε ότι οι γαρίδες μάντις δεν έχουν đặcικά μύες σε σύγκριση με άλλα καρκινοειδή, οπότε η ερώτηση είναι, αν δεν είναι οι μύες που δημιουργούν τις γρήγορες κινήσεις, τότε πρέπει να υπάρχει ένας μηχανικός μηχανισμός που παράγει τις υψηλές επιταχύνσεις,” είπε η Steinhardt.

Όταν οι σκληρίτες αρχίζουν να απελευθερώνονται, οι βιολόγοι πιστεύουν ότι η γεωμετρία της προέκτασης λειτουργεί ως δεύτερο κλείστρο. Αυτό βοηθά να ελέγξει την κίνηση του βραχίονα ενώ συνεχίζει να αποθηκεύει ενέργεια. Ωστόσο, αυτό είναι μόνο μια ανέλεγκτη θεωρία. 

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

Ανάπτυξη Ρομπότ Κλιμάκιος Γαρίδας

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 διακεκριμένες φάσεις της κρούσης της γαρίδας μάντις. Ξεκίνησαν με τα κλειδωμένα σκληρίτες και ολοκλήρωσαν με την κρούση της προέκτασης. 

Οι ερευνητές βρήκαν ότι μετά την απελευθέρωση των σκληριτών, η γεωμετρία του μηχανισμού λαμβάνει τον έλεγχο και κρατά την προέκταση στη θέση της μέχρι να φθάσει σε ένα σημείο υπέρ-κεντράρωσης πριν απελευθερωθεί το κλείστρο. 

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

Η διαδικασία μιμήθηκε σε ένα ρομπότ 1,5 γραμμάριων, κλιμάκιο γαρίδας.尽管 δεν έφτασε στην ταχύτητα της κρούσης της γαρίδας μάντις, το ρομπότ επέδειξε μια εντυπωσιακή ταχύτητα 26 μέτρων ανά δευτερόλεπτο στον αέρα. Αυτή η ταχύτητα σημαίνει ότι η συσκευή είναι ταχύτερη από οποιαδήποτε άλλη παρόμοια σε αυτή την κλίμακα. 

Η Shella Patek 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 Patek. “Η διαδικασία της κατασκευής ενός φυσικού μοντέλου και της ανάπτυξης του μαθηματικού μοντέλου μας οδήγησε να επανεξετάσουμε την κατανόησή μας για τη μηχανική της κρούσης της γαρίδας μάντις και, πιο ευρύτερα, να ανακαλύψουμε πώς τα ζώα και τα συνθετικά συστήματα μπορούν να χρησιμοποιήσουν τη γεωμετρία για να ελέγξουν την ακραία ροή ενέργειας κατά τη διάρκεια υπερ-ταχών, επαναλαμβανόμενων κινήσεων.”

Συνδυάζοντας φυσικά και αναλυτικά μοντέλα, οι βιολόγοι και οι ρομποτικοί θα αποκτήσουν μια βαθύτερη κατανόηση του πώς ορισμένα ζώα αναλαμβάνουν εξαιρετικές εργασίες. 

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