Robot Ultra-Powerful Meniru Gerakan Udang Pemukul

Tim interdisiplin dari roboticist, insinyur, dan ahli biologi di Sekolah Teknik dan Ilmu Terapan Harvard John A. Paulson telah mengembangkan robot baru yang dapat meniru pukulan udang pemukul. Makhluk ini memiliki pukulan terkuat di antara semua makhluk hidup berkat appendage seperti klub yang mempercepat lebih cepat dari peluru dari senjata. Ahli biologi telah lama mencoba memahami bagaimana udang pemukul menghasilkan gerakan ultra-cepat ini, tetapi kemajuan pengimatan kecepatan tinggi baru-baru ini memberikan wawasan baru.

Penelitian ini diterbitkan di Proceedings of the National Academy of Sciences.

Robert Wood adalah Profesor Harry Lewis dan Maryln McGrath di Sekolah Teknik dan Ilmu Terapan Harvard John A. Paulson di Sekolah Teknik dan Ilmu Terapan Harvard John A. Paulson (SEAS). Ia juga penulis senior makalah ini.

“Kami terpesona oleh banyak perilaku luar biasa yang kita lihat di alam, terutama ketika perilaku tersebut memenuhi atau melebihi apa yang dapat dicapai oleh perangkat buatan manusia,” kata Wood. “Kecepatan dan kekuatan pukulan udang pemukul, misalnya, merupakan konsekuensi dari mekanisme yang kompleks di baliknya. Dengan membangun model robot dari appendage udang pemukul, kami dapat mempelajari mekanisme ini dengan detail yang belum pernah ada sebelumnya.”

Mekanisme Penguncian pada Organisme Kecil

Organisme kecil seperti katak dan bunglon bergantung pada pelepasan mekanisme penguncian untuk menghasilkan gerakan ultra-cepat. Mereka menyimpan energi elastis dan melepaskannya dengan cepat melalui mekanisme penguncian. Dalam kasus udang pemukul, dua struktur kecil yang disebut sclerites tertanam di tendon otot dan bertindak sebagai penguncian appendage.

Salah satu perbedaan yang paling mencolok antara udang pemukul dan organisme lain yang serupa adalah bahwa yang pertama memiliki keterlambatan ketika sclerites melepaskan diri dari appendage udang pemukul.

Nak-seung Hyun adalah rekan postdoctoral di SEAS dan penulis pertama makalah ini.

“Ketika Anda melihat proses pukulan pada kamera kecepatan tinggi, ada keterlambatan antara saat sclerites melepaskan diri dan appendage meledak,” kata Hyun. “Seperti sebuah perangkap tikus yang dipicu tetapi tidak segera menutup, ada keterlambatan yang terlihat sebelum perangkap menutup. Jelas ada mekanisme lain yang menahan appendage, tetapi tidak ada yang dapat memahami secara analitis bagaimana mekanisme lain itu bekerja.”

Emma Steinhardt adalah mahasiswa pascasarjana di SEAS dan penulis pertama makalah ini.

“Kami tahu bahwa udang pemukul tidak memiliki otot khusus dibandingkan dengan krustasea lain, jadi pertanyaannya adalah, jika bukan otot yang menciptakan gerakan cepat, maka harus ada mekanisme mekanis yang menghasilkan percepatan tinggi,” kata Steinhardt.

Ketika sclerites memulai pelepasan, ahli biologi percaya bahwa geometri appendage bertindak sebagai penguncian sekunder. Ini membantu mengontrol gerakan lengan sementara itu terus menyimpan energi. Namun, ini hanya teori yang belum diuji.

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

Mengembangkan Robot Berukuran Udang

Tim ini berusaha untuk menguji hipotesis ini dengan mempelajari mekanika penghubung sistem sebelum membangun model robot fisik. Setelah membangun robot, tim mengembangkan model matematika dari gerakan dan memetakan empat fase pukulan udang yang berbeda. Mereka memulai dengan sclerites yang terkunci dan diakhiri dengan pukulan appendage.

Peneliti menemukan bahwa setelah sclerites melepaskan diri, geometri mekanisme mengambil alih dan menahan appendage di tempat sampai mencapai titik over-centering sebelum penguncian melepaskan.

“Proses ini mengontrol pelepasan energi elastis yang tersimpan dan sebenarnya meningkatkan output mekanis sistem,” kata Steinhardt. “Proses penguncian geometris mengungkapkan bagaimana organisme menghasilkan percepatan yang sangat tinggi dalam gerakan durasi pendek, seperti pukulan.”

Proses ini ditiru dalam robot berukuran 1,5 gram, berukuran udang. Meskipun tidak mencapai kecepatan pukulan udang pemukul, robot menunjukkan kecepatan yang mengesankan 26 meter per detik di udara. Tingkat percepatan ini berarti perangkat ini lebih cepat dari perangkat lainnya dengan skala yang sama.

Shella Patek adalah rekan penulis dan Profesor Biologi di Universitas Duke

“Studi ini mencontohkan bagaimana kolaborasi antardisiplin dapat menghasilkan penemuan untuk berbagai bidang,” kata Patek. “Proses membangun model fisik dan mengembangkan model matematika membuat kami untuk mengkaji kembali pemahaman kami tentang mekanika pukulan udang pemukul dan, lebih luas, menemukan bagaimana organisme dan sistem sintetis dapat menggunakan geometri untuk mengontrol aliran energi ekstrem selama gerakan ultra-cepat, berulang.”

Dengan menggabungkan model fisik dan analitis, ahli biologi dan roboticist akan memperoleh pemahaman yang lebih dalam tentang bagaimana organisme tertentu melakukan tugas luar biasa.

Penulis lain dari penelitian ini termasuk Je-sung Koh, Gregory Freeburn, Michelle H. Rosen dan Fatma Zeynep Temel.