Ultra-Voimakas Robotti Jäljittelee Mantis-Rapua

Harvardin yliopiston insinööritieteiden ja soveltavien tieteiden John A. Paulsonin kouluun kuuluvan monitieteisen ryhmän jäsenet, johon kuuluvat robotti-insinöörit, insinöörit ja biologit, ovat kehittäneet uuden robotin, joka pystyy jäljittelemään mantis-rapun iskun. Nämä eläimet ovat voimakkaimpia iskujaan, kiitos niiden kerääjämäisten lisäkkeiden, jotka kiihdyttävät nopeammin kuin luoti aseesta. Biologit ovat yrittäneet pitkään ymmärtää, miten mantis-raput tuottavat nämä ultra-nopeat liikkeet, mutta uudet korkean nopeuden kuvaukset antavat uutta valoa.

Tutkimus julkaistiin Proceedings of the National Academy of Sciences.

Robert Wood on Harry Lewis ja Maryln McGrathin insinööritieteiden ja soveltavien tieteiden professori Harvardin yliopiston John A. Paulsonin koulussa. Hän on myös tutkimuksen pääkirjoittaja.

“Olemme lumoutuneita monista hämmästyttävistä käyttäytymisistä, joita näemme luonnossa, erityisesti kun nämä käyttäytymiset vastaavat tai ylittävät mitä voidaan saavuttaa ihmisten tekemillä laitteilla”, Wood sanoi. “Mantis-rapujen iskujen nopeus ja voima ovat seurausta monimutkaisesta perustavan mekanismista. Rakentamalla robotin, joka jäljittelee mantis-rapun iskun, voimme tutkia näitä mekanismeja ennenkokemattomassa yksityiskohtaisuudessa.”

Lukitsemismekanismit Pienillä Organismeilla

Pienet organimit kuten sammakot ja kameleontit luottavat lukitsemismekanismin vapauttamiseen, jotta ne voivat tuottaa ultra-nopeat liikkeet. Ne varastoivat elastista energiaa ja vapauttavat sen nopeasti lukitsemismekanismin kautta. Mantis-rapujen tapauksessa kaksi pientä rakennetta, sclerite, on upotettu lihasten jänneisiin, ja ne toimivat lisäkkeen lukon virkaa.

Yksi havaittavista eroista mantis-rapujen ja muiden vastaavien organismien välillä on, että mantis-rapuilla on viive, kun scleritit vapautuvat mantis-rapun lisäkkeessä.

Nak-seung Hyun on postdoc-tutkija SEAS:ssa ja yksi tutkimuksen ensisijaisista kirjoittajista.

“Kun tarkastelet isku-prosessia ultra-nopealla kameralla, on viive scleriteiden vapautumisen ja lisäkkeen laukaisun välillä”, Hyun sanoi. “Se on kuin hiiri laukaisi ansan, mutta sen sijaan, että se napsaisi heti, on havaittavissa viive ennen kuin se napsuu. On selvästi toinen mekanismi, joka pitää lisäkettä paikallaan, mutta kukaan ei ole pystynyt analyysin avulla ymmärtämään, miten toinen mekanismi toimii.”

Emma Steinhardt on SEAS:n opiskelija ja tutkimuksen ensisijainen kirjoittaja.

“Tiedämme, ettei mantis-rapuilla ole erityisiä lihaksia verrattuna muihin äyriäisiin, joten kysymys on, jos se ei ole lihasten ansiota, on oltava jokin mekaaninen mekanismi, joka tuottaa nopean kiihtyvyyden”, Steinhardt sanoi.

Kun scleritit aloittavat vapautumisprosessin, biologit uskovat, että lisäkkeen geometria toimii toisena lukon. Se auttaa hallitsemaan liikettä, kun se jatkaa energian varastointia. Tämä on kuitenkin vain testaamaton teoria.

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

Keinoäänen Kehittäminen

Tutkijaryhmä päätti testata tämän hypoteesin tutkimalla järjestelmän linkkimiekkaa ennen kuin rakentaisi fyysisen robotin. Robotin rakentamisen jälkeen tutkijat kehittivät matemaattisen mallin liikkeestä ja kartoittivat neljä eri vaihetta mantis-rapun iskusta. He alkoivat lukitettuista scleriteistä ja päättivät lisäkkeen iskulla.

Tutkijat totesivat, että kun scleritit vapautuvat, mekanismin geometria ottaa vallan ja pitää lisäkettä paikallaan, kunnes se saavuttaa ylikeskipisteen ennen lukon vapautumista.

“Tämä prosessi hallitsee varastoidun elastisen energian vapautumista ja lisää järjestelmän mekaanista tuottoa”, Steinhardt sanoi. “Geometrisen lukon prosessi paljastaa, miten organimit tuottavat erittäin korkean kiihtyvyyden näissä lyhytaikaisissa liikkeissä, kuten iskuissa.”

Tätä prosessia jäljiteltiin 1,5 gramman painoisessa, äyriäisen koossa olevassa robotissa. Vaikka se ei saavuttanutkaan mantis-rapun iskun nopeutta, robotti osoitti vaikuttavan nopeuden 26 metriä sekunnissa ilmassa. Tämä kiihtyvyysluokka tekee laitteesta nopeamman kuin muut saman kokoiset laitteet.

Shella Patek on yhteiskirjoittaja ja biologian professori Duke Universityssa

“Tämä tutkimus esimerkki siitä, miten monitieteiset yhteistyöt voivat tuottaa löytöjä useille aloille”, Patek sanoi. “Fyysisen mallin rakentamisprosessi ja matemaattisen mallin kehittäminen johtivat meidät tarkastelemaan uudelleen mantis-rapun iskumekaniikkaa ja, laajemmin, löytämään, miten organimit ja synteettiset järjestelmät voivat käyttää geometriaa hallitakseen äärimmäisen energian virtausta ultra-nopeissa, toistuvissa liikkeissä.”

Yhdistämällä fysikaalisten ja analyyttisten malleja, biologit ja robotti-insinöörit saavat syvemmän ymmärryksen siitä, miten tiettyjen organismien erinomaiset tehtävät toteutetaan.

Muiden tutkimuksen kirjoittajien joukossa ovat Je-sung Koh, Gregory Freeburn, Michelle H. Rosen ja Fatma Zeynep Temel.