Geckos’ krasj-landings-evner kan brukes i robotikk

Forskere ved University of California, Berkeley og Max Planck-instituttet for intelligente systemer i Stuttgart, Tyskland, har demonstrert hvordan geckos bruker halen sin til å manøvrere i luften. Denne evnen gjør det mulig for dem å korrigere seg selv når de faller etter å ha mistet grep, og den kan også hjelpe dem å skyte over overflaten av en dam.

Funndene vil bli publisert denne uken i tidsskriftet Nature Communications Biology.

Disse teknikkene er svært nyttige i robotikk, og de er allerede i bruk i gecko-lignende roboter.

Overraskende funn om geckos

Robert Full er en professor i integrativ biologi ved UC Berkeley, og Adria Jusufi er en ansatt ved Max Planck-forskningskolen for intelligente systemer og tidligere doktorgradsstudent ved UC Berkeley. De to gjorde et viktig og overraskende nytt funn om at geckos også bruker halen sin til å hjelpe med å gjenopprette seg når de tar en header inn i et tre.

Hod-først-kollisjoner er ganske vanlige blant geckos, og Jusufi dokumenterte dette med høyhastighetsvideo-kameraer.

“Å observere geckos fra høyden i regnskogen var øyneåpnende. Før avgang, ville de flytte hodet opp og ned og fra side til side for å se på landingstarget før de hoppet av, som om de estimerte reiseavstanden,” sa Jusufi.

Videoene viser at gecko, i dette tilfelle den vanlige asiatiske flat-hale-gecko, griper trærstammen med klør og myke tær når den kolliderer frontalt med treet. Dette hjelper hodet og skuldrene til å rebounde, og gecko har grep til å presse halen mot trærstammen, som forhindrer den fra å falle bakover.

“Langt ifra å stanse, er noen av disse øglene fortsatt akselererende ved impakt,” sa Jusufi. “De krasjer frontalt, pitch bakover hode over hæler i en ekstrem vinkel fra vertikalen — de ser ut som en bokhylla som stikker vekk fra treet — ankret bare av bakbenene og halen som de dissiperte impulsen. Med fallet-arrest-refleksen skjer så raskt, kun sakte film kunne avsløre den underliggende mekanismen.”

Ifølge forskerne, kan andre små og lette hoppende dyr som øgler også bruke disse teknikkene.

“De kan ha lengre glideflukter som er mer likevektsglideflukter, og de lander annerledes, men, for eksempel, hvis de prøver å flykte, velger de å gjøre denne type adferd, delvis fordi størrelse betyr noe,” sa Full. “Når du er så liten, har du valgmuligheter som ikke er løsninger for store ting. Så, dette er en slags kropp-mediert løsning som du ikke har hvis du er større.”

Strukturer lignende gecko-haler kan brukes til å hjelpe med å stabilisere flyvende roboter som droner, som hjelper dem med å lande på vertikale overflater.

Forskerne er de første til å dokumentere, matematisk modellere og gjenskape dette adferdet i en myk robot.

“Exaptasjoner er strukturer som har blitt overtatt for mange adferd, uansett hva denne strukturen opprinnelig utviklet seg til, og her er en som du ikke ville forvente,” sa Full. “Du kan se hvordan den usedvanlige evnen til å være robust kan tillate disse exaptasjoner.”

“Inntil nylig hadde halene ikke fått like mye oppmerksomhet som bein eller vinger, men folk begynner nå å forstå at vi bør se på disse dyrene som fem-beinte, på en måte — pentapedal,” sa Jusufi.

Ifølge Full, er robot-ingeniører i ferd med å legge til stadig flere funksjoner i roboter, og de lærer at de kan introdusere en ny del for hver evne.

“Ettersom vi utvikler våre roboter og fysiske systemer, ønsker ingeniører å gjøre flere ting. Og gjett hva? På et tidspunkt, kan du ikke optimalisere en robot for alt,” sa han. “Du må bruke ting til andre adferd for å få disse adferdene.”

https://www.youtube.com/watch?v=LXRAWypJBPI&t=3s

Bygging av roboten

Forskerne bygde en hale-robot etter å ha laget delene med Carbon M2, en stat-of-the-art 3D-printer spesifikt designet for myke strukturer. Føttene var utstyrt med Velcro så den kunne klebe ved kontakt, og halen hadde en mekanisme som ville presse den nedover når de fremre benene traff en overflate og gled.

Hale-roboten viste lignende suksess når den gjorde harde landinger. I naturen, har geckos med haler suksessfullt landet på vertikale overflater uten å falle 87% av tiden. Hale-løse roboter har demonstrert en evne til å lande suksessfullt 15% av tiden i prøver, men den nye hale-roboten kunne lande 55% av tiden i prøver.

Forskerne fant også at roboter med haler halvveis lengden av hodet og kroppen kombinert var nesten like suksessfulle som lengre ene som var snute-vent-lengden. De fant også at kort-hale-roboter krevde dobbelt så mye fotkraft for å forbli festet til treet.

Teamet vil fortsette å studere geckos og søke etter nye prinsipper å bruke i roboter, spesielt myke roboter på vertikale overflater.

“Evolution er ikke om optimalitet og perfeksjon, men heller om tilstrekkelighet. Den bare-tilstrekkelige løsningen spiller inn i å gi deg en bredde av evner så at du er mye mer robust i utfordrende miljøer,” sa Full. “Evolution ser ut som en skredder som aldri virkelig vet hva de vil produsere og bruker alt som er tilgjengelig for å lage noe som fungerer.”

“Små trelevende dyr uten åpenbare morfologiske tilpasninger for flyging er stadig mer å finne med overraskende evne for midt-i-luft-manøvrering. Myke robot-fysiske modeller kan hjelpe med å avkode kontrollen av slike mekanisk-medierte løsninger for landing,” sa Jusufi.