Robô ultrapoderoso imita o movimento do camarão Mantis

Uma equipe interdisciplinar de roboticistas, engenheiros e biólogos da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas John A. Paulson da Universidade de Harvard desenvolveu um novo robô que pode imitar o soco de um camarão mantis. Essas criaturas têm o soco mais forte de todas graças aos seus apêndices semelhantes a clavas que aceleram mais rápido do que uma bala de uma arma. Os biólogos há muito tentam entender como o camarão mantis produz esses movimentos ultrarrápidos, mas novos avanços em imagens de alta velocidade estão lançando uma nova luz.

A pesquisa foi publicada no Proceedings, da Academia Nacional de Ciências. 

Robert Wood é o professor Harry Lewis e Maryln McGrath de Engenharia e Ciências Aplicadas na Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences na Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS). Ele também é o autor sênior do artigo. 

“Estamos fascinados por tantos comportamentos notáveis ​​que vemos na natureza, em particular quando esses comportamentos atendem ou excedem o que pode ser alcançado por dispositivos feitos pelo homem”, disse Wood. “A velocidade e a força dos ataques do camarão mantis, por exemplo, são consequência de um complexo mecanismo subjacente. Ao construir um modelo robótico de um apêndice impressionante de camarão mantis, somos capazes de estudar esses mecanismos em detalhes sem precedentes”.

Mecanismos de travamento entre pequenos organismos

Pequenos organismos como sapos e camaleões contam com a liberação de um mecanismo de travamento para produzir movimentos ultrarrápidos. Eles armazenam energia elástica e a liberam rapidamente por meio desse mecanismo de travamento. No caso específico do camarão mantis, duas pequenas estruturas denominadas escleritos se inserem nos tendões dos músculos e atuam como trava do apêndice. 

Uma das diferenças notáveis ​​entre o camarão mantis e outros organismos semelhantes é que o primeiro tem um atraso quando os escleritos se desprendem no apêndice de um camarão mantis. 

Nak-seung Hyun é pós-doutorando na SEAS e co-primeiro autor do artigo.

“Quando você olha para o processo de golpe em uma câmera de velocidade ultra-alta, há um atraso de tempo entre o lançamento dos escleritos e o disparo do apêndice”, disse Hyun. “É como se um rato acionasse uma ratoeira, mas em vez de estalar imediatamente, houve um atraso perceptível antes de estalar. Obviamente existe outro mecanismo mantendo o apêndice no lugar, mas ninguém foi capaz de entender analiticamente como o outro mecanismo funciona.”

Emma Steinhardt é estudante de pós-graduação na SEAS e primeira autora do artigo. 

“Sabemos que o camarão mantis não tem músculos especiais em comparação com outros crustáceos, então a questão é, se não são seus músculos que criam os movimentos rápidos, deve haver um mecanismo mecânico que produza altas acelerações”, disse Steinhardt.

Quando os escleritos iniciam o destravamento, os biólogos acreditam que a geometria do apêndice atua como uma trava secundária. Isso ajuda a controlar o movimento do braço enquanto continua a armazenar energia. No entanto, esta é apenas uma teoria não testada. 

Desenvolvendo um Robô em Escama de Camarão

A equipe decidiu testar essa hipótese estudando a mecânica de ligação do sistema antes de construir um modelo robótico físico. Depois de construir o robô, a equipe desenvolveu um modelo matemático do movimento e mapeou quatro fases distintas do ataque do louva-a-deus. Começaram com os escleritos travados e terminaram com o golpe do apêndice. 

Os pesquisadores descobriram que, depois que os escleritos se destravam, a geometria do mecanismo assume e mantém o apêndice no lugar até atingir um ponto de centralização excessiva antes que a trava seja liberada. 

“Esse processo controla a liberação da energia elástica armazenada e, na verdade, aumenta a produção mecânica do sistema”, disse Steinhardt. “O processo de travamento geométrico revela como os organismos geram uma aceleração extremamente alta nesses movimentos de curta duração, como socos.”

O processo foi imitado em um robô de escala de camarão de 1.5 grama. Apesar de não atingir a velocidade de um ataque de camarão mantis, o robô demonstrou uma velocidade impressionante de 26 metros por segundo no ar. Essa taxa de aceleração significa que o dispositivo é mais rápido do que qualquer outro semelhante na mesma escala. 

Shella Patek é coautora e professora de Biologia na Duke University

“Este estudo exemplifica como as colaborações interdisciplinares podem produzir descobertas para vários campos”, disse Patek. “O processo de construção de um modelo físico e desenvolvimento do modelo matemático nos levou a revisitar nossa compreensão da mecânica de ataque do camarão mantis e, de forma mais ampla, a descobrir como organismos e sistemas sintéticos podem usar a geometria para controlar o fluxo extremo de energia durante ataques repetidos e ultrarrápidos. -uso, movimentos.”

Ao combinar modelos físicos e analíticos, biólogos e especialistas em robótica obterão uma compreensão mais profunda de como certos organismos realizam tarefas extraordinárias. 

Outros coautores da pesquisa incluem Je-sung Koh, Gregory Freeburn, Michelle H. Rosen e Fatma Zeynep Temel.