Robot Ultra-Poderoso Imita el Movimiento de la Gambita de la Libélula

Un equipo interdisciplinario de roboticistas, ingenieros y biólogos de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Harvard John A. Paulson ha desarrollado un nuevo robot que puede imitar el golpe de una gambita de libélula. Estos crustáceos tienen el golpe más fuerte de cualquier otro gracias a sus apéndices en forma de club que aceleran más rápido que una bala de un arma. Los biólogos han intentado durante mucho tiempo entender cómo las gambitas de libélula producen estos movimientos ultra-rápidos, pero los nuevos avances en la imagen de alta velocidad están arrojando nueva luz.

La investigación se publicó en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias.

Robert Wood es el profesor Harry Lewis y Maryln McGrath de Ingeniería y Ciencias Aplicadas en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Harvard John A. Paulson. También es el autor principal del artículo.

“Estamos fascinados por muchos comportamientos notables que vemos en la naturaleza, en particular cuando estos comportamientos igualan o superan lo que se puede lograr con dispositivos hechos por humanos”, dijo Wood. “La velocidad y la fuerza de los golpes de las gambitas de libélula, por ejemplo, son una consecuencia de un mecanismo subyacente complejo. Al construir un modelo robótico de un apéndice de golpeo de una gambita de libélula, podemos estudiar estos mecanismos en un detalle sin precedentes”.

Mecanismos de Cierre entre Organismos Pequeños

Los organismos pequeños como las ranas y los camaleones dependen de la liberación de un mecanismo de cierre para producir movimientos ultra-rápidos. Almacenan energía elástica y la liberan rápidamente a través de ese mecanismo de cierre. En el caso específico de las gambitas de libélula, dos pequeñas estructuras llamadas escleritas están incrustadas en los tendones de los músculos y actúan como el cierre del apéndice.

Una de las diferencias notables entre las gambitas de libélula y otros organismos similares es que las primeras tienen un retraso cuando las escleritas se desenganchan en el apéndice de una gambita de libélula.

Nak-seung Hyun es un investigador postdoctoral en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas y coautor principal del artículo.

“Cuando miras el proceso de golpeo en una cámara de alta velocidad, hay un retraso entre cuando las escleritas se liberan y el apéndice se dispara”, dijo Hyun. “Es como si un ratón activara una trampa para ratones, pero en lugar de que se cierre de inmediato, hay un retraso notable antes de que se cierre. Obviamente, hay otro mecanismo que mantiene el apéndice en su lugar, pero nadie ha podido entender analíticamente cómo funciona el otro mecanismo”.

Emma Steinhardt es una estudiante de doctorado en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas y autora principal del artículo.

“Sabemos que las gambitas de libélula no tienen músculos especiales en comparación con otros crustáceos, así que la pregunta es, si no son sus músculos los que crean los movimientos rápidos, entonces debe haber un mecanismo mecánico que produce las altas aceleraciones”, dijo Steinhardt.

Cuando las escleritas inician el desenganche, los biólogos creen que la geometría del apéndice actúa como un cierre secundario. Esto ayuda a controlar el movimiento del brazo mientras continúa almacenando energía. Sin embargo, esta es solo una teoría no probada.

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Desarrollando un Robot a Escala de Gambita

El equipo se propuso probar esta hipótesis estudiando la mecánica de la articulación del sistema antes de construir un modelo robótico físico. Después de construir el robot, el equipo desarrolló un modelo matemático del movimiento y cartografió cuatro fases distintas del golpe de la gambita. Comenzaron con las escleritas cerradas y terminaron con el golpe del apéndice.

Los investigadores encontraron que después de que las escleritas se desengancharan, la geometría del mecanismo toma el control y mantiene el apéndice en su lugar hasta que alcanza un punto de sobrecarga antes de que el cierre se libere.

“Este proceso controla la liberación de la energía elástica almacenada y en realidad mejora la salida mecánica del sistema”, dijo Steinhardt. “El proceso de cierre geométrico revela cómo los organismos generan aceleraciones extremadamente altas en estos movimientos de corta duración, como los golpes”.

El proceso se imitó en un robot de 1,5 gramos a escala de gambita. Aunque no alcanzó la velocidad de un golpe de gambita de libélula, el robot demostró una velocidad impresionante de 26 metros por segundo en el aire. Esta tasa de aceleración significa que el dispositivo es más rápido que cualquier otro similar a la misma escala.

Shella Patek es coautora y profesora de Biología en la Universidad de Duke

“Este estudio ejemplifica cómo las colaboraciones interdisciplinarias pueden generar descubrimientos para múltiples campos”, dijo Patek. “El proceso de construir un modelo físico y desarrollar el modelo matemático nos llevó a revisar nuestra comprensión de la mecánica del golpe de la gambita de libélula y, más ampliamente, a descubrir cómo los organismos y los sistemas sintéticos pueden utilizar la geometría para controlar el flujo de energía extremo durante movimientos ultra-rápidos y repetidos”.

Al combinar modelos físicos y analíticos, los biólogos y los roboticistas podrán obtener una comprensión más profunda de cómo ciertos organismos realizan tareas extraordinarias.

Otros coautores de la investigación incluyen a Je-sung Koh, Gregory Freeburn, Michelle H. Rosen y Fatma Zeynep Temel.