अल्ट्रा-पावरफुल रोबोट मैंटिस श्रींप की गति की नकल करता है

हार्वर्ड जॉन ए. पॉलसन स्कूल ऑफ इंजीनियरिंग एंड एप्लाइड साइंसेज में रोबोटिक्स, इंजीनियर्स और जीवविज्ञानियों की एक अंतरविषयक टीम ने एक नए रोबोट का विकास किया है जो मैंटिस श्रींप के पंच की नकल कर सकता है। ये जीव अपने क्लब जैसे प्रोट्रूशंस के कारण किसी भी अन्य जीव की तुलना में सबसे मजबूत पंच करते हैं, जो एक बंदूक से गोली की तुलना में अधिक तेजी से तेजी से बढ़ते हैं। जीवविज्ञानियों ने लंबे समय से यह समझने की कोशिश की है कि मैंटिस श्रींप इन अल्ट्रा-फास्ट आंदोलनों का उत्पादन कैसे करते हैं, लेकिन नए हाई-स्पीड इमेजिंग एडवांसमेंट्स नए प्रकाश में हैं।

शोध को प्रोसीडिंग्स ऑफ द नेशनल एकेडमी ऑफ साइंसेज में प्रकाशित किया गया था।

रॉबर्ट वुड हार्वर्ड जॉन ए. पॉलसन स्कूल ऑफ इंजीनियरिंग एंड एप्लाइड साइंसेज में हैरी लुईस और मैरिलन मैकग्राथ प्रोफेसर ऑफ इंजीनियरिंग एंड एप्लाइड साइंसेज हैं। वह पेपर के वरिष्ठ लेखक भी हैं।

“हम प्रकृति में कई उल्लेखनीय व्यवहारों से आकर्षित होते हैं, विशेष रूप से जब ये व्यवहार मानव-निर्मित उपकरणों द्वारा प्राप्त की जाने वाली चीजों को पूरा करते हैं या उससे अधिक होते हैं,” वुड ने कहा। “मैंटिस श्रींप स्ट्राइक की गति और बल, उदाहरण के लिए, एक जटिल अंतर्निहित तंत्र का परिणाम है। मैंटिस श्रींप स्ट्राइकिंग अपेंडेज का एक रोबोटिक मॉडल बनाकर, हम इन तंत्रों का अध्ययन असाधारण विवरण में कर सकते हैं।”

छोटे जीवों में लैचिंग तंत्र

मेंढ़क और चमगादड़ जैसे छोटे जीव लैचिंग तंत्र की रिलीज पर निर्भर करते हैं ताकि अल्ट्रा-फास्ट आंदोलनों का उत्पादन किया जा सके। वे लैचिंग तंत्र के माध्यम से तेजी से रिलीज होने से पहले लचीला ऊर्जा संग्रहीत करते हैं। मैंटिस श्रींप के विशिष्ट मामले में, दो छोटी संरचनाएं जिन्हें स्क्लेराइट्स कहा जाता है, मांसपेशियों के टेंडन में निहित होती हैं और वे अपेंडेज के लैच के रूप में कार्य करती हैं।

मैंटिस श्रींप और अन्य समान जीवों के बीच एक उल्लेखनीय अंतर यह है कि पूर्व में अपने अपेंडेज में स्क्लेराइट्स के अनलैच होने पर एक देरी होती है।

नाक-सुंग ह्यून एसईएएस में एक पोस्टडॉक्टरल फेलो और पेपर के सह-पहले लेखक हैं।

“जब आप एक अल्ट्रा-हाई-स्पीड कैमरे पर स्ट्राइकिंग प्रक्रिया को देखते हैं, तो स्क्लेराइट्स रिलीज होने और अपेंडेज फायर होने के बीच एक समय देरी होती है,” ह्यून ने कहा। “यह ऐसा लगता है जैसे एक माउस ने एक माउस ट्रैप को ट्रिगर किया, लेकिन यह तुरंत नहीं क्लिक करता है, बल्कि यह क्लिक करने से पहले एक दिखाई देने वाली देरी है। स्पष्ट रूप से अपेंडेज को उसके स्थान पर रखने वाला एक और तंत्र है, लेकिन किसी को भी यह विश्लेषणात्मक रूप से समझने में सक्षम नहीं है कि दूसरा तंत्र कैसे काम करता है।”

एम्मा स्टीनहार्ट एसईएएस में एक स्नातक छात्र और पेपर के पहले लेखक हैं।

“हम जानते हैं कि मैंटिस श्रींप के पास अन्य क्रस्टेशियन की तुलना में विशेष मांसपेशियां नहीं हैं, इसलिए सवाल यह है कि यदि यह उनकी मांसपेशियां तेजी से आंदोलनों का उत्पादन नहीं कर रही हैं, तो एक यांत्रिक तंत्र होना चाहिए जो उच्च त्वरण का उत्पादन करता है,” स्टीनहार्ट ने कहा।

जब स्क्लेराइट्स अनलैचिंग शुरू करते हैं, तो जीवविज्ञानी मानते हैं कि अपेंडेज की ज्यामिति एक द्वितीयक लैच के रूप में कार्य करती है। यह ऊर्जा को संग्रहीत करते हुए आर्म की गति को नियंत्रित करने में मदद करता है, लेकिन यह केवल एक अनपरीक्षित सिद्धांत है।

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एक झींगा स्केल रोबोट विकसित करना

टीम ने इस परिकल्पना का परीक्षण करने के लिए सिस्टम के लिंकेज मैकेनिक्स का अध्ययन करने और एक भौतिक, रोबोटिक मॉडल का निर्माण करने का फैसला किया। रोबोट का निर्माण करने के बाद, शोधकर्ताओं ने मैंटिस स्ट्राइक की गति का एक गणितीय मॉडल विकसित किया और मैंटिस स्ट्राइक के चार विशिष्ट चरणों को मैप किया। उन्होंने लैच्ड स्क्लेराइट्स से शुरू किया और अपेंडेज के स्ट्राइक के साथ समाप्त किया।

शोधकर्ताओं ने पाया कि स्क्लेराइट्स अनलैच होने के बाद, तंत्र की ज्यामिति अपेंडेज को उसके स्थान पर रखने में मदद करती है जब तक कि यह एक ओवर-सेंटरिंग पॉइंट तक नहीं पहुंच जाता, जिसके बाद लैच रिलीज हो जाता है।

“यह प्रक्रिया संग्रहीत लचीला ऊर्जा की रिलीज को नियंत्रित करती है और वास्तव में सिस्टम के यांत्रिक आउटपुट को बढ़ाती है,” स्टीनहार्ट ने कहा। “ज्यामितीय लैचिंग प्रक्रिया यह बताती है कि जीव कैसे इन अल्ट्रा-फास्ट आंदोलनों में अत्यधिक त्वरण पैदा करते हैं, जैसे कि पंच।”

प्रक्रिया को 1.5-ग्राम, झींगा स्केल रोबोट में नकल किया गया था। मैंटिस श्रींप स्ट्राइक की गति तक पहुंचने के बावजूद, रोबोट ने हवा में 26 मीटर प्रति सेकंड की एक प्रभावशाली गति का प्रदर्शन किया। यह त्वरण दर इसी पैमाने पर अन्य समान उपकरणों की तुलना में तेज है।

शेला पेटेक ड्यूक विश्वविद्यालय में जीवविज्ञान के प्रोफेसर और सह-लेखक हैं।

“यह अध्ययन यह दिखाता है कि अंतरविषयक सहयोग कैसे कई क्षेत्रों के लिए खोजों का उत्पादन कर सकते हैं,” पेटेक ने कहा। “एक भौतिक मॉडल बनाने और गणितीय मॉडल विकसित करने की प्रक्रिया ने हमें मैंटिस श्रींप स्ट्राइक मैकेनिक्स की हमारी समझ को फिर से देखने और, अधिक व्यापक रूप से, यह खोज करने के लिए प्रेरित किया कि जीव और सिंथेटिक सिस्टम अल्ट्रा-फास्ट, बार-बार उपयोग किए जाने वाले आंदोलनों के दौरान अत्यधिक ऊर्जा प्रवाह को नियंत्रित करने के लिए ज्यामिति का उपयोग कैसे कर सकते हैं।”

भौतिक और विश्लेषणात्मक मॉडल को मिलाकर, जीवविज्ञानी और रोबोटिक्स विशेषज्ञों को यह समझने में गहराई से जानकारी मिलेगी कि कुछ जीव कैसे असाधारण कार्य करते हैं।

शोध में अन्य सह-लेखक जे-सुंग कोह, ग्रेगोरी फ्रीबورن, मिशेल एच. रोसेन और फातमा ज़ेनेप टेमेल शामिल हैं।