Ultra-Voimakas Robotti Jäljittelee Mantis-Ravun Liikettä

Monitieteellinen ryhmä robotti-insinöörejä, insinöörejä ja biologeja Harvardin yliopiston John A. Paulsonin insinööritieteiden ja soveltavien tieteiden koulussa on kehittänyt uuden robotin, joka pystyy jäljittelemään mantis-ravun iskun. Nämä olentot ovat voimakkaimpia iskujaan kiittäen klubimaisia liitoksiaan, jotka kiihtyvät nopeammin kuin luoti aseesta. Biologit ovat pitkään yrittäneet ymmärtää, miten mantis-ravut tuottavat nämä ultra-nopeat liikkeet, mutta uudet korkean nopeuden kuvauksen edistykset valaisevat uudella tavalla.

Tutkimus julkaistiin Proceedings of the National Academy of Sciences -julkaisussa.

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

“Olemme lumoutuneita niin monista hämmästyttävistä käyttäytymisistä, joita näemme luonnossa, erityisesti kun nämä käyttäytymiset kohtaavat tai ylittävät mitä ihmiset voivat saavuttaa laitteilla”, sanoi Wood. “Mantis-ravun iskun nopeus ja voima ovat seurausta monimutkaisesta alustavasta mekanismista. Rakentamalla robotti-malli mantis-ravun iskuliikkeestä, voimme tutkia näitä mekanismeja ennenkokemattomassa yksityiskohtaisuudessa.”

Lukitusmekanismit Pienissä Organismeissa

Pienet organismeista, kuten sammakot ja kamaleonit, luottavat lukitusmekanismin vapauttamiseen, jotta ne voivat tuottaa ultra-nopeat liikkeet. Ne varastoivat elastista energiaa ja vapauttavat sen nopeasti lukitusmekanismin kautta. Mantis-ravun tapauksessa kaksi pientä rakennetta, sclerite, on upotettu lihasten jänneisiin, ja ne toimivat liitoksen lukitusmekanismina.

Yksi merkittävimmistä eroista mantis-ravun ja muiden vastaavien organismien välillä on, että mantis-ravulla on viive, kun scleritit vapautuvat mantis-ravun liitoksessa.

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

“Kun tarkastelet iskuliikettä ultra-korkean nopeuden kameralla, on viive scleriteiden vapautumisen ja liitoksen laukeamisen välillä”, sanoi Hyun. “Se on kuin hiiri laukaisi ansan, mutta sen sijaan, että se laukesi välittömästi, on havaittavissa viive ennen laukeamista. On selvästi toinen mekanismi, joka pitää liitosta paikallaan, mutta kukaan ei ole pystynyt analysoimaan, miten toinen mekanismi toimii.”

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

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

Kun scleritit käynnistävät vapautumisen, biologit uskovat, että liitoksen geometria toimii toissijaisena lukitusmekanismina. Se auttaa liikkeen hallinnassa, kun se jatkaa energian varastointia. Tämä on kuitenkin vain testaamaton teoria.

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

Ravun Kokoisen Robotin 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-ravun iskusta. He alkoivat lukoittuneista scleriteistä ja päättivät liitoksen iskuun.

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

“Tämä prosessi ohjaa varastoidun elastisen energian vapautumista ja parantaa järjestelmän mekaanista tuotantoa”, sanoi Steinhardt. “Geometrisen lukoitusprosessin paljastaa, miten organismeja tuottavat erittäin korkean kiihtyvyyden näissä lyhytaikaisissa liikkeissä, kuten iskuissa.”

Prosessi jäljiteltiin 1,5 gramman ravun kokoisessa robotissa. Vaikka se ei saavuttanut mantis-ravun iskun nopeutta, robotti osoitti vaikuttavan nopeuden 26 metriä sekunnissa ilmassa. Tämä kiihtyvyysluokka merkitsee, että laite on nopeampi kuin mikään muu samassa mittakaavassa.

Shella Patek on yhteiskirjoittaja ja biologian professori Duke Universityssa

“Tämä tutkimus esittää, miten monitieteelliset yhteistyöt voivat johtaa löytöihin useissa aloissa”, sanoi Patek. “Fyysisen mallin rakentamisprosessi ja matemaattisen mallin kehittäminen johtivat meidät tarkastelemaan uudelleen mantis-ravun iskumekaniikkaa ja, laajemmin, löytämään, miten organismeja ja synteettisiä järjestelmiä voidaan käyttää geometriaa ohjaamaan äärimmäistä energian virtausta ultra-nopeissa, toistuvissa liikkeissä.”

Yhdistämällä fyysisiä ja analyyttisiä malleja, biologit ja robotti-insinöörit saavuttavat syvemmän ymmärryksen siitä, miten tiettyjä organismeja suorittavat poikkeuksellisia tehtäviä.

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