Ultra-Potężny Robot Naśladuje Ruch Żółtej Kurki

Międzydziedzinowy zespół robotyków, inżynierów i biologów z Wydziału Inżynierii i Nauk Stosowanych im. Johna A. Paulsona na Uniwersytecie Harvarda opracował nowego robota, który potrafi naśladować cios żółtej kurki. Te stworzenia mają najmocniejszy cios ze względu na ich maczugowate przydatki, które przyspieszają szybciej niż pocisk z broni. Biologowie od dawna starali się zrozumieć, jak żółte kurki wytwarzają te ultra-szybkie ruchy, ale nowe zaawansowane technologie obrazowania są teraz 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 im. Johna A. Paulsona na Uniwersytecie Harvarda. Jest również seniorem autorem artykułu.

“Jesteśmy zafascynowani tak wieloma niezwykłymi zachowaniami, które widzimy w naturze, w szczególności gdy te zachowania spotykają się lub przewyższają to, co może być osiągnięte przez urządzenia wykonane przez człowieka”, powiedział Wood. “Szybkość i siła ciosów żółtej kurki są wynikiem złożonego mechanizmu podstawowego. Budując model robota przydatku żółtej kurki, możemy badać te mechanizmy w niezwykłym szczególe.”

Mechanizmy Zaczepienia Wśród Małych Organizmów

Małe organizmy, takie jak żaby i chameleony, polegają na uwolnieniu mechanizmu zaczepienia, aby wytworzyć ultra-szybkie ruchy. Przechowują one energię sprężystą i szybko ją uwalniają za pomocą tego mechanizmu zaczepienia. W przypadku żółtej kurki dwie małe struktury zwane scleritami są osadzone w ścięgnach mięśni i działają one jako zaczep przydatku.

Jedną z zauważalnych różnic między żółtą kulką a innymi podobnymi organizmami jest to, że pierwsza ma opóźnienie, gdy sclerity odrywają się w przydatku żółtej kurki.

Nak-seung Hyun jest stypendystą postdoktoranckim na SEAS i współautorem artykułu.

“Gdy spójrzysz na proces uderzenia na ultra-wysokiej prędkości kamery, istnieje opóźnienie między momentem, gdy sclerity się uwolnią, a przydatkiem wystrzeli, ” powiedział Hyun. “Jest to tak, jakby mysz wyzwoliła pułapkę na myszy, ale zamiast tego, że od razu kliknęła, było zauważalne opóźnienie przed kliknięciem. Jest oczywiście inny mechanizm, który trzyma przydatkiem na miejscu, ale nikt nie mógł go analitycznie zrozumieć.”

Emma Steinhardt jest studentką na SEAS i pierwszym autorem artykułu.

“Wiemy, że żółte kurki 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 wysokie przyspieszenia”, powiedziała Steinhardt.

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

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

Tworzenie Robota W Skali Żółtej Kurki

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

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

“Ten proces kontroluje uwolnienie przechowywanej energii sprężystej i rzeczywiście zwiększa mechaniczny wynik systemu”, powiedziała Steinhardt. “Proces zaczepienia geometrycznego ujawnia, jak organizmy wytwarzają ekstremalne przyspieszenia w tych krótkotrwałych ruchach, takich jak ciosy.”

Proces ten został naśladowany w 1,5-gramowym robocie w skali żółtej kurki. Pomimo nieosiągnięcia prędkości ciosu żółtej kurki, robot wykazał imponującą prędkość 26 metrów na sekundę w powietrzu. Ten wskaźnik przyspieszenia oznacza, że urządzenie jest szybsze niż jakiekolwiek podobne w tej samej skali.

Shella Patek jest współautorem i profesorem biologii na Uniwersytecie Duke

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

Łącząc modele fizyczne i analityczne, biologowie 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.