Ultra-Kraftfull Robot Mimicrar Mantis Räka Rörelse

Ett tvärvetenskapligt team av robotiker, ingenjörer och biologer vid Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences har utvecklat en ny robot som kan mimikera mantis räkans slag. Dessa varelser har det starkaste slaget av alla tack vare sina klubblika bihang som accelererar snabbare än en kula från ett vapen. Biologer har länge försökt förstå hur mantis räkor producerar dessa ultra-snabba rörelser, men nya höghastighetsbilder är nu på väg att ge nytt ljus.

Forskningen publicerades i Proceedings of the National Academy of Sciences.

Robert Wood är Harry Lewis och Maryln McGrath Professor of Engineering and Applied Sciences vid Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences vid Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS). Han är också senior författare till artikeln.

“Vi är fascinerade av så många anmärkningsvärda beteenden vi ser i naturen, i synnerhet när dessa beteenden möter eller överträffar vad som kan uppnås av människotillverkade enheter”, sa Wood. “Hastigheten och kraften i mantis räkors slag är en följd av en komplex underliggande mekanism. Genom att konstruera en robotmodell av en mantis räka slagande bihang kan vi studera dessa mekanismer i utanför jämförelse detalj.”

Låsning Mekanismer Bland Små Organismer

Små organismer som grodor och kameler förlitar sig på frigörandet av en låsningsmekanism för att producera ultra-snabba rörelser. De lagrar elastisk energi och frigör den snabbt genom den låsningsmekanismen. I fallet med mantis räkor finns två små strukturer som kallas scleriter inbäddade i senorna i musklerna och dessa fungerar som bihangets lås.

En av de märkbara skillnaderna mellan mantis räkor och andra liknande organismer är att den förra har en fördröjning när scleriterna låser upp i en mantis räkas bihang.

Nak-seung Hyun är en postdoktorand vid SEAS och co-första författare till artikeln.

“När du tittar på slagprocessen på en ultra-hög-hastighetskamera, finns det en tidsfördröjning mellan när scleriterna släpper och bihanget avfyras”, sa Hyun. “Det är som om en mus utlöste en musfälla men istället för att den knäppte till direkt, fanns det en märkbar fördröjning innan den knäppte till. Det finns uppenbarligen en annan mekanism som håller bihanget på plats, men ingen har kunnat analytiskt förstå hur den andra mekanismen fungerar.”

Emma Steinhardt är en doktorand vid SEAS och första författare till artikeln.

“Vi vet att mantis räkor inte har speciella muskler jämfört med andra kräftdjur, så frågan är, om det inte är deras muskler som skapar de snabba rörelserna, då måste det finnas en mekanisk mekanism som producerar de höga accelerationerna”, sa Steinhardt.

När scleriterna initierar upplåsning, tror biologer att geometrin hos bihanget fungerar som en sekundär lås. Detta hjälper till att kontrollera rörelsen av armen medan den fortsätter att lagra energi. Men detta är bara en outestad teori.

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

Utveckling Av En Räka-Skala Robot

Teamet satte ut för att testa denna hypotes genom att studera länkage-mekanikerna i systemet innan de konstruerade en fysisk, robotisk modell. Efter att ha byggt roboten utvecklade teamet en matematisk modell av rörelsen och kartlade fyra distinkta faser av mantis slaget. De började med de låsta scleriterna och avslutade med bihangets slag.

Forskarna fann att efter att scleriterna låser upp, tar geometrin hos mekanismen över och håller bihanget på plats tills det når en över-centerpunkt innan låset släpper.

“Denna process kontrollerar frigörandet av lagrad elastisk energi och förbättrar faktiskt den mekaniska utmatningen av systemet”, sa Steinhardt. “Den geometriska låsningsprocessen avslöjar hur organismer genererar extremt hög acceleration i dessa korta rörelser, som slag.”

Processen mimikerades i en 1,5-grams, räka-skala robot. Trots att den inte nådde hastigheten hos en mantis räka slag, visade roboten en imponerande hastighet på 26 meter per sekund i luft. Denna accelerationstakt innebär att enheten är snabbare än någon annan i samma skala.

Shella Patek är medförfattare och professor i biologi vid Duke University

“Denna studie exemplifierar hur tvärvetenskapliga samarbeten kan ge upphov till upptäckter inom flera områden”, sa Patek. “Processen att bygga en fysisk modell och utveckla den matematiska modellen ledde oss till att omvärdera vår förståelse av mantis räkors slagmekanik och, mer allmänt, att upptäcka hur organismer och syntetiska system kan använda geometri för att kontrollera extrem energiflöde under ultra-snabba, upprepad användning, rörelser.”

Genom att kombinera fysiska och analytiska modeller kommer biologer och robotiker att få en djupare förståelse av hur vissa organismer utför anmärkningsvärda uppgifter.

Andra medförfattare till forskningen inkluderar Je-sung Koh, Gregory Freeburn, Michelle H. Rosen och Fatma Zeynep Temel.