Robot Ultra-Potente Mimica il Movimento del Gambaro Mantis

Un team interdisciplinare di roboticisti, ingegneri e biologi della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences ha sviluppato un nuovo robot in grado di mimare il pugno di un gambaro mantis. Queste creature hanno il pugno più forte di tutte grazie alle loro appendici a forma di mazza che accelerano più velocemente di una pallottola sparata da una pistola. I biologi hanno a lungo cercato di capire come i gambari mantis producono questi movimenti ultra-veloci, ma le nuove tecnologie di imaging ad alta velocità stanno gettando nuova luce.

La ricerca è stata pubblicata nel Proceedings of the National Academy of Sciences. 

Robert Wood è il professore Harry Lewis e Maryln McGrath di Ingegneria e Scienze Applicate alla Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences alla Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS). È anche autore senior del paper. 

“Siamo affascinati da molti comportamenti notevoli che vediamo in natura, in particolare quando questi comportamenti incontrano o superano ciò che può essere realizzato da dispositivi creati dall’uomo”, ha detto Wood. “La velocità e la forza dei colpi dei gambari mantis, ad esempio, sono una conseguenza di un meccanismo sottostante complesso. Costruendo un modello robotico di un’appendice di gambaro mantis, possiamo studiare questi meccanismi in dettaglio senza precedenti.”

Meccanismi di Latch tra Piccoli Organismi

Piccoli organismi come le rane e i camaleonti si affidano al rilascio di un meccanismo di latch per produrre movimenti ultra-veloci. Essi immagazzinano energia elastica e la rilasciano rapidamente attraverso quel meccanismo di latch. Nel caso specifico dei gambari mantis, due piccole strutture chiamate scleriti sono incorporate nei tendini dei muscoli e agiscono come il latch dell’appendice. 

Una delle differenze più evidenti tra i gambari mantis e altri organismi simili è che i primi hanno un ritardo quando le scleriti si sbloccano nell’appendice di un gambaro mantis. 

Nak-seung Hyun è un fellow post-dottorato al SEAS e co-autore primo del paper.

“Quando si guarda il processo di colpo con una telecamera ad ultra-alta velocità, c’è un ritardo tra quando le scleriti si rilasciano e l’appendice si attiva”, ha detto Hyun. “È come se un mouse avesse attivato una trappola per topi, ma invece di scattare subito, c’è un ritardo evidente prima che scatti. C’è evidentemente un altro meccanismo che tiene ferma l’appendice, ma nessuno è stato in grado di capire analiticamente come funziona l’altro meccanismo.”

Emma Steinhardt è una studentessa di dottorato al SEAS e autore primo del paper. 

“Sappiamo che i gambari mantis non hanno muscoli speciali rispetto ad altri crostacei, quindi la domanda è, se non sono i muscoli a creare i movimenti veloci, allora deve esserci un meccanismo meccanico che produce le alte accelerazioni”, ha detto Steinhardt.

Quando le scleriti iniziano a sbloccarsi, i biologi ritengono che la geometria dell’appendice agisca come un latch secondario. Ciò aiuta a controllare il movimento del braccio mentre continua a immagazzinare energia. Tuttavia, questa è solo una teoria non testata. 

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

Sviluppo di un Robot della Dimensione di un Gambaro

Il team ha cercato di testare questa ipotesi studiando la meccanica di collegamento del sistema prima di costruire un modello robotico fisico. Dopo aver costruito il robot, il team ha sviluppato un modello matematico del movimento e ha mappato quattro fasi distinte del colpo del gambaro mantis. Hanno iniziato con le scleriti bloccate e finito con il colpo dell’appendice. 

I ricercatori hanno scoperto che dopo che le scleriti si sbloccano, la geometria del meccanismo prende il controllo e tiene ferma l’appendice fino a quando non raggiunge un punto di over-centering prima che il latch si rilasci. 

“Questo processo controlla il rilascio dell’energia elastica immagazzinata e aumenta effettivamente l’output meccanico del sistema”, ha detto Steinhardt. “Il processo di latch geometrico rivela come gli organismi generino accelerazioni estremamente elevate in questi movimenti di breve durata, come i pugni.”

Il processo è stato mimato in un robot della dimensione di 1,5 grammi, scala gambaro. Nonostante non abbia raggiunto la velocità di un colpo di gambaro mantis, il robot ha dimostrato una velocità impressionante di 26 metri al secondo in aria. Questo tasso di accelerazione significa che il dispositivo è più veloce di qualsiasi altro dispositivo simile alla stessa scala. 

Shella Patek è co-autore e professore di Biologia all’Università di Duke

“Questo studio dimostra come le collaborazioni interdisciplinari possano portare a scoperte in più campi”, ha detto Patek. “Il processo di costruzione di un modello fisico e di sviluppo del modello matematico ci ha portato a rivedere la nostra comprensione della meccanica del colpo del gambaro mantis e, più in generale, a scoprire come gli organismi e i sistemi sintetici possano utilizzare la geometria per controllare il flusso di energia estremo durante movimenti ultra-veloci e ripetuti.”

Combinando modelli fisici e analitici, i biologi e i roboticisti acquisiranno una comprensione più profonda di come certi organismi eseguano compiti straordinari. 

Altri co-autori della ricerca includono Je-sung Koh, Gregory Freeburn, Michelle H. Rosen e Fatma Zeynep Temel.