Geckos förmåga att kraschlanda kan användas i robotteknik

Forskare vid University of California, Berkeley och Max Planck-institutet för intelligenta system i Stuttgart, Tyskland, har visat hur geckos använder sina svansar för att manövrera i luften. Denna förmåga tillåter dem att korrigera sig när de faller efter att ha tappat greppet, och den kan också hjälpa dem att skjuta över ytan på en damm.

Resultaten kommer att publiceras den här veckan i tidskriften Nature Communications Biology.

Dessa tekniker är mycket användbara inom robotteknik, och de är redan på gång att implementeras i gecko-liknande robotar.

Överraskande upptäckter om geckos

Robert Full är professor i integrativ biologi vid UC Berkeley, och Adria Jusufi är medlem i Max Planck-forsknings-skolan för intelligenta system och tidigare doktorand vid UC Berkeley. De två gjorde en viktig och överraskande ny upptäckt att geckos också använder sina svansar för att hjälpa till att återhämta sig när de tar en header in i ett träd.

Huvud-först-krockar är ganska vanliga bland geckos, och Jusufi dokumenterade detta med höghastighets-videokameror.

“Att observera geckos från höjd i regnskogens krona var ögonöppnande. Innan starten rörde de på huvudet upp och ner, och från sida till sida för att se målet innan de hoppade av, som om de ville uppskatta avståndet”, sa Jusufi.

Videorna visar att geckon, i det här fallet den vanliga asiatiska platta svans-geckon, griper trädets stam med sina klor och paddade tår när den kolliderar huvud-on med trädet. Detta hjälper dess huvud och axlar att studsande tillbaka, och geckon har möjlighet att trycka sin svans mot stammen, vilket förhindrar att den tumlar bakåt.

“Långt ifrån att stanna, accelererar vissa av dessa ödlor fortfarande när de kolliderar”, sa Jusufi. “De kraschar huvud-först, studsar tillbaka huvud över häl i en extrem vinkel från det vertikala — de ser ut som en bokhylla som sticker ut från trädet — fästade endast med sina bakben och svans medan de dissipaterar kollisionsenergin. Med fall-arresteringsreflexen som sker så snabbt, kunde endast slow-motion-video avslöja den underliggande mekanismen.”

Enligt forskarna kan andra små och lätta hoppande djur som ödlor också använda dessa tekniker.

“De kan ha längre glidflygningar som är mer jämviktsglidflygningar, och de landar annorlunda, men till exempel, om de försöker fly, väljer de att göra detta beteende, delvis för att storleken spelar roll”, sa Full. “När du är så liten, har du alternativ som inte är lösningar för stora saker. Så, detta är en sorts kropp-medierad lösning som du inte har om du är större.”

Strukturer liknande geckosvansar kan användas för att hjälpa till att stabilisera flygande robotar som drönare, vilket kan hjälpa dem att landa på vertikala ytor.

Forskarna är de första som dokumenterat, matematiskt modellerat och reproducerat detta beteende i en mjuk robot.

“Exaptationer är strukturer som har tagits över för många beteenden, oavsett vad den ursprungliga strukturen utvecklades för, och här är en som du inte förväntar dig”, sa Full. “Du kan se hur den otroliga förmågan att vara robust kan tillåta dessa exaptationer.”

“Tills nyligen hade svansar inte fått så mycket uppmärksamhet som ben eller vingar, men människor börjar nu inse att vi bör tänka på dessa djur som fem-benade — pentapodala”, sa Jusufi.

Enligt Full lägger robotingenjörer till allt fler funktioner i robotar, och de lär sig att de kan introducera en ny del för varje förmåga.

“När vi utvecklar våra robotar och fysiska system, vill alla ingenjörer göra fler saker. Och gissa vad? Vid någon punkt kan du inte optimera en robot för allt”, sa han. “Du måste använda saker för andra beteenden för att få dessa beteenden.”

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

Att bygga roboten

Forskarna byggde en svans-robot efter att ha skapat dess delar med Carbon M2, en state-of-the-art 3D-skrivare specifikt utformad för mjuka strukturer. Fötterna var utrustade med Velcro så att den kunde fästa vid kontakt, och svansen hade en mekanism som skulle trycka nedåt när de främre benen träffade en yta och gled.

Den svans-roboten visade liknande framgång när den gjorde hårda landningar. I naturen landar geckos med svansar framgångsrikt på vertikala ytor utan att falla 87% av tiden. Svans-lösa robotar har visat en förmåga att landa framgångsrikt 15% av tiden i tester, men den nya svans-roboten kunde landa 55% av tiden i tester.

Forskarna fann också att robotar med svansar som var hälften så långa som huvud och kropp kombinerat var nästan lika framgångsrika som längre svansar som var snut-vent-längd. De fann också att kort-svansade robotar krävde dubbelt så stor fotkraft för att stanna kvar på trädet.

Teamet kommer att fortsätta studera geckos och leta efter nya principer att tillämpa på robotar, särskilt mjuka robotar på vertikala ytor.

“Evolution är inte om optimalitet och perfektion, utan snarare om tillräcklighet. Den bara-tillräckligt-lösningen spelar verkligen in i att ge dig en bredd av förmågor så att du är långt mer robust i utmanande miljöer”, sa Full. “Evolution ser ut som en klurig person som aldrig riktigt vet vad de kommer att producera och använder allt som finns till hands för att skapa något som fungerar.”

“Små trädlevande djur utan uppenbara morfologiska anpassningar för flygning har alltmer visat sig ha en överraskande förmåga till luftmanövrering. Mjuka robotiska fysiska modeller kan hjälpa till att avkoda kontrollen av sådana mekaniskt medierade lösningar för landning”, sa Jusufi.