Способность гекконов к аварийной посадке может быть использована в робототехнике

Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли и Института интеллектуальных систем имени Макса Планка в Штутгарте, Германия, продемонстрировали, как гекконы используют свои хвосты, чтобы маневрировать в воздухе. Эта способность позволяет им исправлять себя, когда они падают после потери хватки, и также может помочь им пролетать по поверхности пруда.

Результаты исследования будут опубликованы на этой неделе в журнале Nature Communications Biology.

Эти методы очень полезны в робототехнике, и они уже реализуются в роботах, похожих на гекконов.

Неожиданные открытия о гекконах

Роберт Фулл – профессор интегративной биологии в Университете Калифорнии в Беркли, а Адрия Юсуфи – член факультета Макс-Планковской исследовательской школы интеллектуальных систем и бывший аспирант Университета Калифорнии в Беркли. Двое сделали важное и неожиданное открытие, что гекконы также используют свои хвосты, чтобы помочь восстановиться, когда они падают на дерево.

Падения головой вперед довольно распространены среди гекконов, и Юсуфи задокументировал это с помощью высокоскоростных видеокамер.

“Наблюдение за гекконами с высоты в лесном пологе было откровением. Перед взлетом они двигали головой вверх и вниз, и из стороны в сторону, чтобы оценить расстояние до цели перед прыжком, как будто чтобы оценить расстояние полета”, – сказал Юсуфи.

Видео показывают, что геккон, в данном случае обычный азиатский геккон с плоским хвостом, хватается за ствол когтями и подушечками на ногах при столкновении с деревом. Это помогает его голове и плечам отскочить, и геккону есть возможность нажать хвостом на ствол, что предотвращает его падение назад.

“Далеко не все эти ящерицы еще ускоряются при ударе”, – сказал Юсуфи. “Они падают головой вперед, откидываются назад головой вверх и вниз по экстремальному углу от вертикали – они выглядят как книжная полка, отходящая от дерева – прикрепленные только задними ногами и хвостом, когда они рассеивают энергию удара. С такой быстрой реакцией на падение только замедленное видео может раскрыть основной механизм”.

По мнению ученых, другие небольшие и легкие прыгающие животные, такие как ящерицы, также могут использовать эти методы.

“Они могут иметь более длинные планирования, которые более равновесны, и они приземляются по-другому, но, например, если они пытаются убежать, они выбирают такое поведение, частично потому, что размер имеет значение”, – сказал Фулл. “Когда вы так малы, у вас есть варианты, которые не являются решениями для больших вещей. Итак, это своего рода решение, опосредованное телом, которое у вас нет, если вы больше”.

Структуры, подобные хвостам гекконов, могут быть использованы для стабилизации летающих роботов, таких как беспилотники, чтобы помочь им приземлиться на вертикальные поверхности.

Исследователи впервые задокументировали, смоделировали математически и воспроизвели это поведение в мягком роботе.

“Экзаптации – это структуры, которые были приспособлены для многих поведений, независимо от того, для чего они изначально эволюционировали, и вот одна из них, которую вы не ожидаете”, – сказал Фулл. “Вы можете увидеть, как эта невероятная способность быть прочным позволяет этим экзаптациям”.

“До недавнего времени хвосты не получали столько внимания, сколько ноги или крылья, но теперь люди понимают, что мы должны думать об этих животных как о пятиногих, в некотором смысле – пентапедальных”, – сказал Юсуфи.

По мнению Фулла, инженеры-робототехники добавляют все больше функций к роботам и учатся, что они могут ввести новую часть для каждой способности.

“Когда мы эволюционируем наши роботы и физические системы, инженеры все хотят делать больше вещей. И guess что? В какой-то момент вы не можете оптимизировать робота для всего”, – сказал он. “Вам приходится использовать вещи для других поведений, чтобы получить эти поведения”.

https://www.youtube.com/watch?v=LXRAWypJBPI&t=3s

Создание робота

Исследователи создали робота с хвостом после изготовления его частей на 3D-принтере Carbon M2, предназначенном специально для мягких структур. Ноги были оснащены велкро, чтобы они могли прилипать при контакте, и хвост имел механизм, который заставлял его нажимать вниз, когда передние ноги касались поверхности и скользили.

Робот с хвостом продемонстрировал аналогичный успех при жестких посадках. В природе гекконы с хвостами успешно приземляются на вертикальные поверхности без падения 87% времени. Бесхвостые роботы продемонстрировали способность приземляться успешно 15% времени в испытаниях, но новый робот с хвостом смог приземлиться 55% времени в испытаниях.

Исследователи также обнаружили, что роботы с хвостами, длиной вдвое меньше длины головы и тела вместе взятых, были почти так же успешны, как и более длинные, которые были длиной от носа до клоаки. Они также обнаружили, что короткохвостые роботы требовали вдвое большей силы ноги, чтобы остаться прикрепленными к дереву.

Команда продолжит изучать гекконов и искать новые принципы, которые можно применить к роботам, особенно мягким роботам на вертикальных поверхностях.

“Эволюция не является оптимальной и совершенной, а скорее достаточной. Достаточно хорошее решение действительно играет на то, чтобы дать вам широкий спектр возможностей, так что вы гораздо более устойчивы в сложных средах”, – сказал Фулл. “Эволюция выглядит больше как мастер, который никогда не знает, что он произведет, и использует все, что у него есть, чтобы создать что-то, что работает”.

“Небольшие древесные животные без очевидных морфологических адаптаций для полета все чаще обнаруживают удивительную способность к маневрированию в воздухе. Мягкие робототехнические физические модели могут помочь расшифровать контроль таких механически опосредованных решений для посадки”, – сказал Юсуфи.