Robot Ultra-Puissant Imitant le Mouvement de la Crevette Mantis

Une équipe interdisciplinaire de roboticistes, d’ingénieurs et de biologistes de l’École d’ingénierie et de sciences appliquées de l’Université Harvard John A. Paulson a développé un nouveau robot capable d’imiter le coup de poing d’une crevette mantis. Ces créatures ont le coup de poing le plus puissant en raison de leurs appendices en forme de massue qui accélèrent plus vite qu’une balle de fusil. Les biologistes ont longtemps tenté de comprendre comment les crevettes mantis produisent ces mouvements ultra-rapides, mais les progrès de l’imagerie à haute vitesse jettent une nouvelle lumière sur le sujet.

La recherche a été publiée dans les Proceedings de l’Académie nationale des sciences.

Robert Wood est le professeur Harry Lewis et Maryln McGrath d’ingénierie et de sciences appliquées à l’École d’ingénierie et de sciences appliquées de l’Université Harvard John A. Paulson. Il est également l’auteur principal de l’article.

« Nous sommes fascinés par de nombreux comportements remarquables que l’on observe dans la nature, en particulier lorsque ces comportements égalent ou dépassent ce que les dispositifs fabriqués par l’homme peuvent réaliser », a déclaré Wood. « La vitesse et la force des coups de poing des crevettes mantis, par exemple, sont la conséquence d’un mécanisme complexe sous-jacent. En construisant un modèle robotique d’un appendice de crevette mantis, nous pouvons étudier ces mécanismes dans des détails sans précédent. »

Mécanismes de Verrouillage parmi les Petits Organismes

Les petits organismes comme les grenouilles et les caméléons s’appuient sur la libération d’un mécanisme de verrouillage pour produire des mouvements ultra-rapides. Ils stockent de l’énergie élastique et la libèrent rapidement grâce à ce mécanisme de verrouillage. Dans le cas spécifique des crevettes mantis, deux petites structures appelées sclérites sont intégrées dans les tendons des muscles et agissent comme verrous de l’appendice.

L’une des différences notables entre les crevettes mantis et les autres organismes similaires est que les premières ont un délai lorsque les sclérites se déverrouillent dans l’appendice d’une crevette mantis.

Nak-seung Hyun est un boursier postdoctoral à l’École d’ingénierie et de sciences appliquées de l’Université Harvard et co-premier auteur de l’article.

« Lorsque vous observez le processus de frappe à l’aide d’une caméra à ultra-haute vitesse, il y a un délai entre le moment où les sclérites se libèrent et celui où l’appendice se déclenche », a déclaré Hyun. « C’est comme si une souris déclenchait un piège à souris, mais au lieu de se refermer immédiatement, il y a un délai notable avant qu’il se referme. Il y a clairement un autre mécanisme qui maintient l’appendice en place, mais personne n’a pu comprendre analytiquement comment fonctionne cet autre mécanisme. »

Emma Steinhardt est une étudiante en doctorat à l’École d’ingénierie et de sciences appliquées de l’Université Harvard et première auteure de l’article.

« Nous savons que les crevettes mantis n’ont pas de muscles spéciaux par rapport aux autres crustacés, donc la question est : si ce ne sont pas leurs muscles qui créent les mouvements rapides, alors il doit y avoir un mécanisme mécanique qui produit les accélérations élevées », a déclaré Steinhardt.

Lorsque les sclérites amorcent le déverrouillage, les biologistes pensent que la géométrie de l’appendice agit comme un verrou secondaire. Cela aide à contrôler le mouvement du bras tout en continuant à stocker de l’énergie. Cependant, il s’agit d’une théorie non testée.

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Développement d’un Robot à l’Échelle de la Crevette

L’équipe a cherché à tester cette hypothèse en étudiant la mécanique de liaison du système avant de construire un modèle robotique physique. Après avoir construit le robot, l’équipe a développé un modèle mathématique du mouvement et a cartographié quatre phases distinctes de la frappe de la crevette mantis. Ils ont commencé avec les sclérites verrouillées et se sont terminés avec la frappe de l’appendice.

Les chercheurs ont constaté qu’après le déverrouillage des sclérites, la géométrie du mécanisme prend le relais et maintient l’appendice en place jusqu’à ce qu’il atteigne un point de sur-centrage avant que le verrou ne se libère.

« Ce processus contrôle la libération de l’énergie élastique stockée et améliore réellement la sortie mécanique du système », a déclaré Steinhardt. « Le processus de verrouillage géométrique révèle comment les organismes génèrent des accélérations extrêmement élevées dans ces mouvements de courte durée, comme les coups de poing. »

Le processus a été reproduit dans un robot de 1,5 gramme à l’échelle de la crevette. Bien qu’il n’ait pas atteint la vitesse d’un coup de poing de crevette mantis, le robot a démontré une vitesse impressionnante de 26 mètres par seconde dans l’air. Ce taux d’accélération signifie que l’appareil est plus rapide que tout autre appareil similaire à la même échelle.

Shella Patek est co-auteure et professeure de biologie à l’Université Duke

« Cette étude illustre comment les collaborations interdisciplinaires peuvent conduire à des découvertes dans plusieurs domaines », a déclaré Patek. « Le processus de construction d’un modèle physique et de développement d’un modèle mathématique nous a amenés à revoir notre compréhension de la mécanique de frappe des crevettes mantis et, plus largement, à découvrir comment les organismes et les systèmes synthétiques peuvent utiliser la géométrie pour contrôler les flux d’énergie extrêmes pendant les mouvements ultra-rapides et répétitifs. »

En combinant les modèles physiques et analytiques, les biologistes et les roboticistes acquerront une compréhension plus approfondie de la manière dont certains organismes réalisent des tâches extraordinaires.

Les autres co-auteurs de la recherche comprennent Je-sung Koh, Gregory Freeburn, Michelle H. Rosen et Fatma Zeynep Temel.