Ultra-Potężny Robot Naśladuje Ruch Skorupiaka Mantis

Interdyscyplinarny zespół robotyków, inżynierów i biologów z Wydziału Inżynierii i Nauk Stosowanych Uniwersytetu Harvarda opracował nowego robota, który może naśladować cios skorupiaka mantis. Te stworzenia mają najmocniejszy cios ze względu na ich klubopodobne przydatki, które przyspieszają szybciej niż pocisk z broni. Biologowie od dawna starali się zrozumieć, jak skorupiaki mantis wytwarzają te ultra-szybkie ruchy, ale nowe osiągnięcia w dziedzinie zdjęć wysokiej szybkości rzucają nowe światło.

Badania zostały opublikowane w Proceedings of the National Academy of Sciences.

Robert Wood jest profesorem inżynierii i nauk stosowanych na Wydziale Inżynierii i Nauk Stosowanych Uniwersytetu Harvarda. Jest również seniorem autorem artykułu.

“Jesteśmy fascynowani wieloma niezwykłymi zachowaniami, które widzimy w naturze, zwłaszcza gdy te zachowania przewyższają to, co może być osiągnięte przez urządzenia wykonane przez człowieka”, powiedział Wood. “Szybkość i siła ciosów skorupiaków mantis są konsekwencją złożonego mechanizmu podstawowego. Poprzez budowę modelu robota skorupiaka mantis, możemy badać te mechanizmy w niezwykłym szczególe.”

Mechanizmy Zaczepiania Wśród Małych Organizmów

Małe organizmy, takie jak żaby i chameleony, polegają na uwolnieniu mechanizmu zaczepiania, aby wytworzyć ultra-szybkie ruchy. Przechowują energię sprężystą i szybko ją uwalniają za pomocą tego mechanizmu zaczepiania. W przypadku skorupiaków mantis dwie małe struktury zwane skleritami są osadzone w ścięgnach mięśni i działają jako zaczep robota.

Jedną z zauważalnych różnic między skorupiakami mantis a innymi podobnymi organizmami jest to, że pierwsze mają opóźnienie, gdy sklerity odrywają się w przydatku skorupiaka mantis.

Nak-seung Hyun jest stypendystą postdoktoranckim na Wydziale Inżynierii i Nauk Stosowanych i współautorem artykułu.

“Gdy spójrzysz na proces uderzenia na kamerze o ultra-wysokiej szybkości, jest opóźnienie między momentem, gdy sklerity się uwolnią, a momentem, gdy przydatek wystrzeli”, powiedział Hyun. “To tak, jakby mysz spowodowała uruchomienie pułapki na myszy, ale zamiast natychmiastowego zaskoczenia, jest zauważalne opóźnienie przed zaskoczeniem. Jest oczywiście inny mechanizm, który trzyma przydatek na miejscu, ale nikt nie był w stanie analitycznie zrozumieć, jak ten inny mechanizm działa.”

Emma Steinhardt jest studentką na Wydziale Inżynierii i Nauk Stosowanych i pierwszym autorem artykułu.

“Wiemy, że skorupiaki mantis nie mają specjalnych mięśni w porównaniu z innymi skorupiakami, więc pytanie brzmi, jeśli to nie ich mięśnie tworzą szybkie ruchy, to musi istnieć mechanizm mechaniczny, który wytwarza te wysokie przyspieszenia”, powiedziała Steinhardt.

Gdy sklerity zainicjują odrywanie, biolodzy uważają, że geometria przydatku działa jako wtórny zaczep. Pomaga to kontrolować ruch ramienia, podczas gdy nadal gromadzi energię. Jednak jest to tylko nieprzetestowana teoria.

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

Tworzenie Robota W Skali Skorupiaka

Zespół postanowił przetestować tę hipotezę, badając mechanikę połączenia systemu przed zbudowaniem fizycznego modelu robota. Po zbudowaniu robota zespół opracował model matematyczny ruchu i zmapował cztery odrębne fazy ciosu skorupiaka. Zaczęli od zaczepionych skleritów i skończyli na ciosie przydatku.

Badacze odkryli, że po odrywaniu skleritów geometria mechanizmu przejmuje kontrolę i trzyma przydatek na miejscu, aż do momentu, gdy osiągnie punkt przekroczenia przed uwolnieniem zaczepu.

“Ten proces kontroluje uwolnienie zgromadzonej energii sprężystej i naprawdę zwiększa mechaniczny wynik systemu”, powiedziała Steinhardt. “Geometryczny proces zaczepiania ujawnia, jak organizmy wytwarzają ekstremalnie wysokie przyspieszenia w tych krótkotrwałych ruchach, takich jak ciosy.”

Proces ten został naśladowany w 1,5-gramowym robocie w skali skorupiaka. Pomimo nieosiągnięcia szybkości ciosu skorupiaka mantis, robot wykazał imponującą szybkość 26 metrów na sekundę w powietrzu. To przyspieszenie oznacza, że urządzenie jest szybsze niż jakiekolwiek podobne urządzenia w tej samej skali.

Shella Patek jest współautorem i profesorem biologii na Uniwersytecie Duke.

“To badanie jest przykładem tego, jak współpraca interdyscyplinarna może prowadzić do odkryć w wielu dziedzinach”, powiedziała Patek. “Proces budowy fizycznego modelu i opracowania modelu matematycznego skłonił nas do ponownego rozważenia naszego zrozumienia mechaniki ciosu skorupiaka mantis i, ogólniej, do odkrycia, jak organizmy i systemy syntetyczne mogą wykorzystywać geometrię do kontrolowania ekstremalnego przepływu energii podczas ultra-szybkich, wielokrotnych ruchów.”

Poprzez łączenie modeli fizycznych i analitycznych, biolodzy i robotycy zyskają głębsze zrozumienie, jak pewne organizmy wykonują nadzwyczajne zadania.

Inni współautorzy badań to Je-sung Koh, Gregory Freeburn, Michelle H. Rosen i Fatma Zeynep Temel.