Ultra-Krachtige Robot Imiteren Beweging van Mantisgarnaal

Een interdisciplinair team van roboticisten, ingenieurs en biologen aan de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences heeft een nieuwe robot ontwikkeld die de stoot van een mantisgarnaal kan imiteren. Deze wezens hebben de sterkste stoot van allemaal dankzij hun klauw-achtige aanhangsels die sneller versnellen dan een kogel uit een geweer. Biologen hebben lang geprobeerd te begrijpen hoe mantisgarnalen deze ultra-snelle bewegingen produceren, maar nieuwe hoogwaardige beeldvormingstechnieken werpen nieuw licht op dit onderwerp.

Het onderzoek werd gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciences.

Robert Wood is de Harry Lewis en Maryln McGrath Professor of Engineering and Applied Sciences aan de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences aan de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS). Hij is ook de senior auteur van het artikel.

“We zijn gefascineerd door de vele opmerkelijke gedragingen die we in de natuur zien, in het bijzonder wanneer deze gedragingen overeenkomen met of de prestaties van door de mens gemaakte apparaten overtreffen,” zei Wood. “De snelheid en kracht van de stoten van mantisgarnalen zijn het gevolg van een complexe onderliggende mechanisme. Door een robotmodel van een mantisgarnaal-stootaanhangsel te bouwen, kunnen we deze mechanismen in ongekende details bestuderen.”

Verbindingmechanismen bij kleine organismen

Kleine organismen zoals kikkers en kamaleons vertrouwen op de release van een verbindingmechanisme om ultra-snelle bewegingen te produceren. Ze slaan elastische energie op en geven deze snel vrij via dat verbindingmechanisme. In het specifieke geval van mantisgarnalen zijn twee kleine structuren genaamd sclerieten ingebed in de pezen van de spieren en deze fungeren als de haak van het aanhangsel.

Een van de opvallende verschillen tussen mantisgarnalen en andere soortgelijke organismen is dat de eerste een vertraging heeft wanneer de sclerieten ontgrendelen in een mantisgarnaal-aanhangsel.

Nak-seung Hyun is een postdoctoraal onderzoeker aan SEAS en co-first auteur van het artikel.

“Wanneer je naar het slagproces kijkt met een ultra-hoogwaardige camera, is er een tijdsvertraging tussen het moment waarop de sclerieten loskomen en het aanhangsel afvuurt,” zei Hyun. “Het is alsof een muis een muizenval activeert, maar in plaats van dat deze meteen knapt, is er een merkbare vertraging voordat deze knapt. Er moet een andere mechanisme zijn die het aanhangsel op zijn plaats houdt, maar niemand heeft ooit kunnen analytisch begrijpen hoe deze andere mechanisme werkt.”

Emma Steinhardt is een doctoraal student aan SEAS en eerste auteur van het artikel.

“We weten dat mantisgarnalen geen speciale spieren hebben in vergelijking met andere crustaceeën, dus de vraag is, als het niet hun spieren zijn die de snelle bewegingen creëren, dan moet er een mechanisch mechanisme zijn dat de hoge versnellingen produceert,” zei Steinhardt.

Wanneer sclerieten beginnen te ontgrendelen, denken biologen dat de geometrie van het aanhangsel fungeert als een tweede haak. Dit helpt de beweging van de arm te controleren terwijl deze blijft energie opslaan. Echter, dit is slechts een ongeteste theorie.

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

Ontwikkeling van een garnaal-schaalrobot

Het team zette zich tot doel om deze hypothese te testen door de verbindingmechanica van het systeem te bestuderen voordat ze een fysiek, robotmodel bouwden. Na het bouwen van de robot, ontwikkelden ze een wiskundig model van de beweging en kaarten vier verschillende fasen van de mantisgarnaal-stoot. Ze begonnen met de vergrendelde sclerieten en eindigden met de stoot van het aanhangsel.

De onderzoekers vonden dat nadat de sclerieten ontgrendelen, de geometrie van de mechanisme de controle overneemt en het aanhangsel op zijn plaats houdt totdat het een over-centrum punt bereikt voordat de haak loskomt.

“Dit proces controleert de release van opgeslagen elastische energie en verhoogt daadwerkelijk de mechanische output van het systeem,” zei Steinhardt. “Het geometrische haakproces onthult hoe organismen extreem hoge versnellingen genereren in deze korte duur bewegingen, zoals stoten.”

Het proces werd nagebootst in een 1,5-gram, garnaal-schaalrobot. Ondanks dat het niet de snelheid van een mantisgarnaal-stoot bereikte, toonde de robot een indrukwekkende snelheid van 26 meter per seconde in de lucht. Deze versnelling betekent dat het apparaat sneller is dan alle andere apparaten op dezelfde schaal.

Shella Patek is co-auteur en Professor of Biology aan Duke University

“Deze studie toont aan hoe interdisciplinaire samenwerkingen ontdekkingen voor meerdere vakgebieden kunnen opleveren,” zei Patek. “Het proces van het bouwen van een fysiek model en het ontwikkelen van het wiskundig model leidde ons ertoe om onze kennis van de mantisgarnaal-stootmechanica te herzien en, meer in het algemeen, om te ontdekken hoe organismen en synthetische systemen geometrie kunnen gebruiken om extreme energiestromen te controleren tijdens ultra-snelle, herhaalde bewegingen.”

Door fysieke en analytische modellen te combineren, zullen biologen en roboticisten een dieper inzicht krijgen in hoe bepaalde organismen buitengewone taken uitvoeren.

Andere co-auteurs van het onderzoek zijn Je-sung Koh, Gregory Freeburn, Michelle H. Rosen en Fatma Zeynep Temel.