超高速ロボットがカニの動きを模倣する

ハーバード大学ジョン・A・ポールソン工学アプライドサイエンススクールのロボティクス、エンジニア、生物学者の学際的なチームは、カニのパンチを模倣できる新しいロボットを開発しました。カニは、クラブのような付属物が銃から弾が出るよりも速く加速するため、最も強いパンチを持っています。生物学者は、カニがこれらの超高速動きを生み出す方法を理解しようと長年にわたって努力してきましたが、新しい高速イメージング技術が新たな光を当てています。

研究は、米国科学アカデミー紀要に発表されました。

ロバート・ウッドは、ハーバード大学ジョン・A・ポールソン工学アプライドサイエンススクールのハリー・ルイスとメアリー・ルース・マクグラス教授です。彼はまた、論文の筆頭著者です。

「私たちは、自然界で見られる多くの驚くべき行動に魅了されています。特に、これらの行動が人間が作った装置で達成できるものを上回る場合です。カニの打撃の速度と力は、複雑な根本的なメカニズムの結果です。カニの打撃付属物のロボットモデルを構築することで、これらのメカニズムを前例のない詳細で研究できます。」

小さな生物におけるラッチングメカニズム

カエルやカメレオンなどの小さな生物は、超高速動きを生み出すためにラッチングメカニズムの解放に頼っています。彼らは弾性エネルギーを蓄え、ラッチングメカニズムを通じて急速に解放します。カニの場合、2つの小さな構造体であるスクライトが筋肉の腱に埋め込まれており、これらが付属物のラッチとして機能します。

カニと他の似た生物との主な違いは、カニの付属物のスクライトが解放されたときに遅延があることです。

ナクスン・ヒュンは、SEASのポスドク研究員であり、論文の共同筆頭著者です。

「超高速カメラで打撃プロセスを見ると、スクライトが解放されてから付属物が発射されるまでに時間差があることがわかります。マウスがマウストラップを引き金にかけたが、すぐには閉じないという感じです。付属物を保持する別のメカニズムがあることは明らかですが、誰もがそのメカニズムがどのように機能するかを分析的に理解することができませんでした。」

エマ・スタインハートは、SEASの大学院生であり、論文の筆頭著者です。

「カニには他の甲殻類と比べて特別な筋肉がないことがわかっています。したがって、超高速動きを生み出すのは筋肉ではなく、機械的なメカニズムでなければなりません。」

スクライトが解放を開始すると、生物学者は付属物の幾何学が二次的なラッチとして機能するという仮説を立てています。これは、腕の動きを制御し、エネルギーを蓄えるのに役立ちます。ただし、これはまだ検証されていない仮説です。

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

カニスケールロボットの開発

チームは、仮説をテストするためにシステムのリンクメカニズムを研究し、物理的なロボットモデルを構築しました。ロボットを構築した後、チームは動きの数学的なモデルを作成し、カニの打撃の4つの異なる段階をマッピングしました。スクライトが解放されてから付属物が打撃するまでを調べました。

研究者たちは、スクライトが解放された後、メカニズムの幾何学が付属物を保持するまでに優位性を獲得することを発見しました。

「このプロセスは、蓄積された弾性エネルギーの解放を制御し、実際にシステムの機械的な出力を高めます。」スタインハートさんは述べました。「幾何学的なラッチングプロセスは、極めて高速な動きを生み出すメカニズムを明らかにします。」

このプロセスは、1.5グラムのカニスケールロボットで模倣されました。カニの打撃の速度に達することはできませんでしたが、ロボットは空気中で26メートル毎秒の速度を示し、これは同スケールのデバイスの中で最も速いものです。

シェラ・ペイトクは、デューク大学の生物学教授であり、共同著者です。

「この研究は、学際的なコラボレーションが複数の分野で発見につながることを示しています。物理モデルを構築し、数学的なモデルを開発するプロセスは、カニの打撃メカニズムの理解を再検討させ、さらに、生物や合成システムが幾何学を使用して超高速動き中に極めて高いエネルギーを制御する方法を発見することになりました。」

物理モデルと分析モデルを組み合わせることで、生物学者とロボティクス研究者は、特定の生物が超常なるタスクを実行する方法についてより深く理解することができます。

研究の他の共同著者には、Je-sung Koh、Gregory Freeburn、Michelle H. Rosen、Fatma Zeynep Temelがいます。