Robot Ultra-Puternic care Imită Mișcarea de Lovire a Racului de Apă Dulce

O echipă interdisciplinară de roboțiști, ingineri și biologi de la Școala de Inginerie și Științe Aplicate Harvard John A. Paulson a dezvoltat un nou robot care poate imita lovitura unui rac de apă dulce. Aceste creaturi au lovitura cea mai puternică datorită apendicelor lor în formă de ciocan care se accelerează mai repede decât o glonț dintr-o armă. Biologii au încercat de mult timp să înțeleagă cum produc racii de apă dulce aceste mișcări ultra-repezi, dar noile tehnologii de imagistică de înaltă viteză aruncă o nouă lumină asupra acestui subiect.

Cercetarea a fost publicată în Proceedings of the National Academy of Sciences.

Robert Wood este profesorul Harry Lewis și Maryln McGrath de Inginerie și Științe Aplicate la Școala de Inginerie și Științe Aplicate Harvard John A. Paulson. El este, de asemenea, autorul principal al articolului.

“Suntem fascinați de atâtea comportamente remarcabile pe care le vedem în natură, în special atunci când aceste comportamente întrec sau egalează ceea ce poate fi realizat de dispozitive create de oameni”, a spus Wood. “Viteza și forța loviturilor de rac de apă dulce, de exemplu, sunt o consecință a unui mecanism complex subiacent. Prin construirea unui model robotic al unei apendice de lovitură a racului de apă dulce, putem studia aceste mecanisme în detalii fără precedent.”

Mecanisme de Încuiere la Organisme Mici

Organisme mici, cum ar fi broaștele și cameleonii, se bazează pe eliberarea unui mecanism de încuiere pentru a produce mișcări ultra-repezi. Ei stochează energie elastică și o eliberează rapid prin mecanismul de încuiere. În cazul specific al racului de apă dulce, două structuri mici numite sclerite sunt înglobate în tendoanele mușchilor și acestea acționează ca încuietoare a apendicelui.

Una dintre diferențele notabile între racii de apă dulce și alte organisme similare este că primii au o întârziere atunci când scleritele se deblochează în apendicele unui rac de apă dulce.

Nak-seung Hyun este un cercetător postdoctoral la SEAS și co-autorul principal al articolului.

“Când privești procesul de lovitură cu o cameră de înaltă viteză, există o întârziere între momentul în care scleritele se eliberează și apendicele se activează”, a spus Hyun. “Este ca și cum ai apăsa un declanșator, dar în loc să se activeze imediat, există o întârziere înainte de a se activa. Există evident un alt mecanism care ține apendicele în loc, dar nimeni nu a putut să înțeleagă analitic cum funcționează acest mecanism.”

Emma Steinhardt este studentă la SEAS și autoarea principală a articolului.

“Știm că racii de apă dulce nu au mușchi speciali în comparație cu alte crustacee, așa că întrebarea este, dacă nu mușchii lor produc mișcările rapide, atunci trebuie să existe un mecanism mecanic care produce accelerațiile ridicate”, a spus Steinhardt.

Atunci când scleritele inițiază deblocarea, biologii cred că geometria apendicelui acționează ca o încuietoare secundară. Acest lucru ajută la controlul mișcării brațului în timp ce continuă să stocheze energie. Cu toate acestea, aceasta este doar o teorie netestată.

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

Dezvoltarea unui Robot la Scara de Rac de Apă Dulce

Echipa a încercat să testeze această ipoteză prin studiul mecanicii legăturii sistemului înainte de a construi un model fizic robotic. După construirea robotului, echipa a dezvoltat un model matematic al mișcării și a cartat patru faze distincte ale loviturii de rac de apă dulce. Ei au început cu scleritele încuiate și au terminat cu lovitura apendicelui.

Cercetătorii au descoperit că, după ce scleritele se deblochează, geometria mecanismului preia controlul și ține apendicele în loc până când ajunge la un punct de centrare înainte de a se elibera încuietoarea.

“Acest proces controlează eliberarea energiei elastice stocate și, de fapt, îmbunătățește ieșirea mecanică a sistemului”, a spus Steinhardt. “Procesul de încuiere geometrică revelează cum organismele generează accelerații extrem de ridicate în aceste mișcări scurte, cum ar fi lovituri.”

Procesul a fost imitat într-un robot de 1,5 grame, la scara unui rac de apă dulce. În ciuda faptului că nu a atins viteza unei lovituri de rac de apă dulce, robotul a demonstrat o viteză impresionantă de 26 de metri pe secundă în aer. Această rată de accelerație înseamnă că dispozitivul este mai rapid decât orice altul de aceeași scară.

Shella Patek este co-autoare și profesor de biologie la Universitatea Duke

“Acest studiu exemplifică cum colaborările interdisciplinare pot duce la descoperiri în multiple domenii”, a spus Patek. “Procesul de construire a unui model fizic și de dezvoltare a modelului matematic ne-a condus să reexaminăm înțelegerea noastră asupra mecanicii loviturii de rac de apă dulce și, mai larg, să descoperim cum organismele și sistemele sintetice pot utiliza geometria pentru a controla fluxul energetic extrem în timpul mișcărilor ultra-repezi, repetate, de mișcare.”

Prin combinarea modelelor fizice și analitice, biologii și roboțiștii vor obține o înțelegere mai profundă a modului în care anumite organisme realizează sarcini extraordinare.

Alți co-autori ai cercetării includ Je-sung Koh, Gregory Freeburn, Michelle H. Rosen și Fatma Zeynep Temel.