Ультрамощный робот имитирует движения креветки-мантиса

Междисциплинарная команда робототехников, инженеров и биологов из Университета Гарварда, Школы инженерии и прикладных наук имени Джона А. Паулсона, разработала нового робота, способного имитировать удар креветки-мантиса. Эти существа обладают самым сильным ударом благодаря своим клубообразным придаткам, которые ускоряются быстрее пули из пистолета. Биологи давно пытаются понять, как креветки-мантисы производят эти сверхбыстрые движения, но новые достижения в области высокоскоростной съемки пролили новый свет.

Исследование было опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Роберт Вуд – профессор инженерии и прикладных наук в Школе инженерии и прикладных наук имени Джона А. Паулсона в Университете Гарварда. Он также является старшим автором статьи.

“Мы очарованы многими замечательными поведениями, которые мы наблюдаем в природе, особенно когда эти поведения соответствуют или превышают то, что может быть достигнуто с помощью человеческих устройств”, – сказал Вуд. “Скорость и сила ударов креветок-мантисов, например, являются следствием сложного основного механизма. Создавая роботизированную модель придатка креветки-мантиса, мы можем изучать эти механизмы в беспрецедентных деталях.”

Механизмы защелкивания среди небольших организмов

Небольшие организмы, такие как лягушки и хамелеоны, полагаются на выпуск механизма защелкивания, чтобы произвести сверхбыстрые движения. Они накапливают эластическую энергию и быстро выпускают ее через этот механизм. В случае креветок-мантисов два небольших образования, называемых склеритами, встроены в сухожилия мышц и действуют как защелка придатка.

Одним из заметных различий между креветками-мантисами и другими подобными организмами является то, что первые имеют задержку, когда склериты отключаются в придатке креветки-мантиса.

Нак-сун Хюн – постдокторант в Школе инженерии и прикладных наук и соавтор статьи.

“Когда вы смотрите на процесс удара на сверхвысокоскоростной камере, есть задержка между моментом, когда склериты выпускаются, и моментом, когда придаток срабатывает”, – сказал Хюн. “Это похоже на то, как если бы мышь спровоцировала ловушку для мыши, но вместо того, чтобы она сработала сразу, есть заметная задержка, прежде чем она сработает. Очевидно, существует другой механизм, который держит придаток на месте, но никто не смог проанализировать, как этот механизм работает.”

Эмма Стейнхардт – аспирантка в Школе инженерии и прикладных наук и первый автор статьи.

“Мы знаем, что креветки-мантисы не имеют специальных мышц по сравнению с другими ракообразными, поэтому вопрос в том, если это не их мышцы создают быстрые движения, то должно быть механическое устройство, которое производит высокие ускорения”, – сказала Стейнхардт.

Когда склериты инициируют отключение, биологи считают, что геометрия придатка действует как вторичная защелка. Это помогает контролировать движение руки, пока она продолжает накапливать энергию. Однако это всего лишь непроверенная теория.

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

Разработка робота размером с креветку

Команда решила проверить эту гипотезу, изучив механику связи системы, прежде чем построить физическую роботизированную модель. После постройки робота команда разработала математическую модель движения и карту четырех различных фаз удара креветки-мантиса. Они начали со склеритов и закончили ударом придатка.

Исследователи обнаружили, что после того, как склериты отключаются, геометрия механизма берет верх и держит придаток на месте, пока он не достигнет точки перекрытия, прежде чем защелка выпустится.

“Этот процесс контролирует выпуск накопленной эластической энергии и фактически усиливает механический выход системы”, – сказала Стейнхардт. “Геометрический процесс защелкивания показывает, как организмы генерируют чрезвычайно высокие ускорения в этих коротких движениях, как удары.”

Процесс был смоделирован в роботе весом 1,5 грамма, размером с креветку. Несмотря на то, что он не достиг скорости удара креветки-мантиса, робот продемонстрировал впечатляющую скорость 26 метров в секунду в воздухе. Эта скорость ускорения означает, что устройство быстрее, чем любые другие аналогичные устройства такого же масштаба.

Шелла Патек – соавтор и профессор биологии в Университете Дьюка

“Это исследование показывает, как междисциплинарные сотрудничества могут привести к открытиям в нескольких областях”, – сказала Патек. “Процесс построения физической модели и разработки математической модели привел нас к пересмотру нашего понимания механики удара креветки-мантиса и, более широко, к открытию того, как организмы и синтетические системы могут использовать геометрию для контроля экстремального потока энергии во время сверхбыстрых, повторяющихся движений.”

Объединяя физические и аналитические модели, биологи и робототехники получат более глубокое понимание того, как определенные организмы выполняют необычные задачи.

Среди других соавторов исследования – Дже-сунг Кох, Грегори Фриберн, Мишель Х. Розен и Фатма Зейнеп Темель.