Ultra-Kraftig Robot Mimikerer Bevegelsen til Mantis Reke

Et tverrfaglig team av robotikere, ingeniører og biologer ved Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences har utviklet en ny robot som kan mime punchen til en mantis reke. Disse skapningene har det sterkeste punchet av alle takket være deres klub-liknende utvekster som akselerer raskere enn en kule fra en pistol. Biologer har lenge forsøkt å forstå hvordan mantis reker produserer disse ultra-rask bevegelsene, men nye høyhastighets-bilde-teknologier kaster nytt lys over dette.

Forskningen ble publisert i Proceedings of the National Academy of Sciences.

Robert Wood er Harry Lewis og Maryln McGrath Professor of Engineering and Applied Sciences ved Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences ved Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS). Han er også senior forfatter av artikkelen.

“Vi er fascinert av så mange bemerkelsesverdige atferd vi ser i naturen, særlig når disse atferdene møter eller overgår hva som kan oppnås av menneskeskapte enheter,” sa Wood. “Hastigheten og kraften til mantis reke-slag, for eksempel, er en konsekvens av en kompleks underliggende mekanisme. Ved å konstruere en robotmodell av en mantis reke-slagende utvekst, kan vi studere disse mekanismene i uforutsett detalj.”

Låsemekanismer blant små organismer

Små organismer som frosker og kaméleoner avhenger av frigjøringen av en låsemekanisme for å produsere ultra-raske bevegelser. De lagrer elastisk energi og frigjør raskt denne energien gjennom låsemekanismen. I det spesifikke tilfelle med mantis reker, er to små strukturer kalt skleritter innbygget i senene i musklene og disse fungerer som utvekstens lås.

En av de merkbare forskjellene mellom mantis reker og andre lignende organismer er at de førstnevnte har en forsinkelse når sklerittene låser opp i en mantis rekes utvekst.

Nak-seung Hyun er en postdoktorand ved SEAS og med-forfatter av artikkelen.

“Når du ser på slagprosessen på en ultra-høyhastighets-kamera, er det en tidsforsinkelse mellom når sklerittene frigjøres og utveksten skyter,” sa Hyun. “Det er som om en musk trigger en musfelle, men istedenfor å snappe umiddelbart, er det en merkbare forsinkelse før den snapper. Det må være en annen mekanisme som holder utveksten på plass, men ingen har kunnet forstå hvordan denne andre mekanismen fungerer.”

Emma Steinhardt er en masterstudent ved SEAS og første-forfatter av artikkelen.

“Vi vet at mantis reker ikke har spesielle muskler sammenlignet med andre skjelett-dyr, så spørsmålet er, hvis det ikke er musklene som skaper de raske bevegelsene, må det være en mekanisk mekanisme som produserer de høye akselerasjonene,” sa Steinhardt.

Når sklerittene initierer låsing, tror biologer at geometrien til utveksten fungerer som en sekundær lås. Dette hjelper med å kontrollere bevegelsen av armen mens den fortsatt lagrer energi. Men dette er bare en uTESTet teori.

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

Utvikling av en reke-skala-robot

Teamet satte ut til å teste denne hypotesen ved å studere lenke-mekanikken til systemet før de konstruerte en fysisk, robotisk modell. Etter å ha bygget roboten, utviklet teamet en matematisk modell av bevegelsen og kartla fire distinkte faser av mantis-slaget. De startet med låste skleritter og avsluttet med slaget til utveksten.

Forskerne fant at etter at sklerittene låste opp, tok geometrien til mekanismen over og holdt utveksten på plass til den nådde et over-sentrum før låsen ble frigjort.

“Denne prosessen kontrollerer frigjøringen av lagret elastisk energi og forbedrer faktisk den mekaniske utgangen til systemet,” sa Steinhardt. “Den geometriske lås-prosessen avslører hvordan organismer genererer ekstremt høye akselerasjoner i disse korte varighets-bevegelsene, som slag.”

Prosessen ble mimet i en 1,5-grams, reke-skala-robot. Til tross for at den ikke nådde hastigheten til en mantis reke-slag, demonstrerte roboten en imponerende hastighet på 26 meter per sekund i luft. Denne akselerasjonsraten betyr at enheten er raskere enn noen lignende enheter på samme skala.

Shella Patek er med-forfatter og professor i biologi ved Duke University

“Denne studien exemplifiserer hvordan tverrfaglige samarbeid kan føre til oppdagelser for flere fagfelt,” sa Patek. “Prosessen med å bygge en fysisk modell og utvikle den matematiske modellen, ledet oss til å se på vår forståelse av mantis reke-slag-mekanikken og, mer bredt, å oppdage hvordan organismer og syntetiske systemer kan bruke geometri til å kontrollere ekstrem energiflyt under ultra-raske, gjentakende bevegelser.”

Ved å kombinere fysiske og analytiske modeller, vil biologer og robotikere få en dypere forståelse av hvordan visse organismer utfører ekstraordinære oppgaver.

Andre med-forfattere av forskningen inkluderer Je-sung Koh, Gregory Freeburn, Michelle H. Rosen og Fatma Zeynep Temel.