Robô Ultra-Poderoso Imita Movimento do Camarão-Mantis

Uma equipe interdisciplinar de robóticos, engenheiros e biólogos da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas de Harvard John A. Paulson desenvolveu um novo robô que pode imitar o golpe de um camarão-mantis. Esses criaturas têm o golpe mais forte de qualquer um, graças aos seus apêndices em forma de clube que aceleram mais rápido do que uma bala de uma arma. Biólogos têm tentado entender como os camarões-mantis produzem esses movimentos ultra-rápidos, mas novos avanços em imagens de alta velocidade estão lançando nova luz.

A pesquisa foi publicada nos Proceedings of the National Academy of Sciences.

Robert Wood é o Professor Harry Lewis e Maryln McGrath de Engenharia e Ciências Aplicadas na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas de Harvard John A. Paulson na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas de Harvard John A. Paulson (SEAS). Ele também é o autor sênior do artigo.

“Nós estamos fascinados por muitos 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 golpes do camarão-mantis, por exemplo, são uma consequência de um mecanismo complexo subjacente. Ao construir um modelo robótico de um apêndice de golpe de camarão-mantis, podemos estudar esses mecanismos em detalhes sem precedentes.”

Mecanismos de Trava entre Organismos Pequenos

Organismos pequenos, como sapos e camaleões, dependem da liberação de um mecanismo de trava para produzir movimentos ultra-rápidos. Eles armazenam energia elástica e a liberam rapidamente por meio desse mecanismo de trava. No caso específico do camarão-mantis, duas pequenas estruturas chamadas esclerites estão embutidas nos tendões dos músculos e atuam como a trava do apêndice.

Uma das diferenças notáveis entre os camarões-mantis e outros organismos semelhantes é que os primeiros têm um atraso quando as esclerites se des travam no apêndice de um camarão-mantis.

Nak-seung Hyun é um fellow pós-doutorado na SEAS e co-autor principal do artigo.

“Quando você olha para o processo de golpe em uma câmera de alta velocidade, há um atraso entre quando as esclerites se liberam e o apêndice dispara”, disse Hyun. “É como se um mouse acionasse uma armadilha, mas em vez de disparar imediatamente, houvesse um atraso notável antes de disparar. É óbvio que há outro mecanismo segurando o apêndice no lugar, mas ninguém conseguiu entender analiticamente como o outro mecanismo funciona.”

Emma Steinhardt é uma aluna de graduação na SEAS e autora principal do artigo.

“Sabemos que os camarões-mantis não têm músculos especiais em comparação com outros crustáceos, então a pergunta é, se não são os músculos que criam os movimentos rápidos, então deve haver um mecanismo mecânico que produz as altas acelerações”, disse Steinhardt.

Quando as esclerites iniciam a liberação da trava, os biólogos acreditam que a geometria do apêndice atua como uma trava secundária. Isso ajuda a controlar o movimento do braço enquanto ele continua a armazenar energia. No entanto, isso é apenas uma teoria não testada.

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

Desenvolvendo um Robô em Escala de Camarão

A equipe se propôs a 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 golpe do camarão-mantis. Eles começaram com as esclerites travadas e terminaram com o golpe do apêndice.

Os pesquisadores descobriram que, após as esclerites se liberarem, a geometria do mecanismo assume o controle e segura o apêndice no lugar até que ele atinja um ponto de sobre-centragem antes de a trava se liberar.

“Esse processo controla a liberação da energia elástica armazenada e, na verdade, melhora a saída mecânica do sistema”, disse Steinhardt. “O processo de trava geométrica revela como os organismos geram acelerações extremamente altas nesses movimentos de curta duração, como golpes.”

O processo foi imitado em um robô de 1,5 gramas, em escala de camarão. Embora não tenha alcançado a velocidade de um golpe 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 um semelhante na mesma escala.

Shella Patek é co-autora e Professora de Biologia na Universidade Duke

“Este estudo exemplifica como colaborações interdisciplinares podem gerar descobertas para vários campos”, disse Patek. “O processo de construir um modelo físico e desenvolver o modelo matemático nos levou a reexaminar nossa compreensão da mecânica do golpe do camarão-mantis e, mais amplamente, a descobrir como os organismos e os sistemas sintéticos podem usar a geometria para controlar o fluxo de energia extremo durante movimentos ultra-rápidos e repetidos.”

Ao combinar modelos físicos e analíticos, biólogos e robóticos ganharão uma compreensão mais profunda de como certos organismos realizam tarefas extraordinárias.

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