โรบอทอัลตร้าเพาเวอร์ที่เลียนแบบการเคลื่อนไหวของกุ้งแม่นต้า

ทีมงานระหว่างสาขาวิชาของนักโรบอติกส์ วิศวกร และนักชีววิทยาจากมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด จอห์น เอ. พอลสัน สคูล ออฟ เอนจิเนียริ่ง แอนด์ อพพลายด์ ซายنس ได้พัฒนาโรบอทใหม่ที่สามารถเลียนแบบการปั้นของกุ้งแม่นต้าได้ สิ่งมีชีวิตเหล่านี้มีการปั้นที่แข็งแรงที่สุดเนื่องจากมีหน่วยย่อยคล้ายกับไม้ตี ที่เร่งความเร็วได้เร็วกว่ากระสุนปืน เมื่อนักชีววิทยาพยายามเข้าใจว่ากุ้งแม่นต้าสร้างการเคลื่อนไหวที่เร็วมากได้อย่างไร แต่ความก้าวหน้าในการถ่ายภาพความเร็วสูงใหม่ๆ ได้ให้แสงสว่างใหม่

การวิจัยได้รับการตีพิมพ์ใน Proceedings of the National Academy of Sciences

โรเบิร์ต วูด เป็นศาสตราจารย์แห่งฮาร์รี่ ลูอิส และแมริลิน แมกกราธ แห่งวิศวกรรมและวิทยาศาสตร์ประยุกต์ ที่ฮาร์วาร์ด จอห์น เอ. พอลสัน สคูล ออฟ เอนจิเนียริ่ง แอนด์ อพพลายด์ ซายنس เขายังเป็นนักเขียนอาวุโสของเอกสารวิจัยด้วย

“เรารู้สึกประทับใจกับพฤติกรรมที่น่าประทับใจมากมายที่เราเห็นในธรรมชาติ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อพฤติกรรมเหล่านั้นเทียบเท่าหรือเกินกว่าที่อุปกรณ์ที่สร้างโดยมนุษย์สามารถทำได้” วูดกล่าว “ความเร็วและแรงของการปั้นของกุ้งแม่นต้าเป็นผลมาจากกลไกที่ซับซ้อนอยู่ bên dưới โดยการสร้างแบบจำลองโรบอทของการปั้นของกุ้งแม่นต้า เราสามารถศึกษากลไกเหล่านี้ได้ในรายละเอียดที่ไม่เคยเห็นมาก่อน”

กลไกล็อคในบรรดาสิ่งมีชีวิตขนาดเล็ก

สิ่งมีชีวิตขนาดเล็ก เช่น กบ และ چามิลอน ขึ้นอยู่กับการปล่อยกลไกล็อคเพื่อสร้างการเคลื่อนไหวที่เร็วมาก พวกมันเก็บพลังงานยืดหยุ่นและปล่อยพลังงานนั้นอย่างรวดเร็วผ่านกลไกล็อค ในกรณีของกุ้งแม่นต้า มีโครงสร้างเล็กๆ สองชิ้นที่เรียกว่า สเกลไรท์ ที่ฝังอยู่ในเส้นเอ็นของกล้ามเนื้อ และโครงสร้างเหล่านี้ทำหน้าที่เป็นล็อคของการปั้น

หนึ่งในความแตกต่างที่เห็นได้ชัดเจนระหว่างกุ้งแม่นต้าและสิ่งมีชีวิตที่คล้ายคลึงกันคือการปั้นของกุ้งแม่นต้ามีการหน่วงเวลาเมื่อสเกลไรท์ปลดล็อคในกล้ามเนื้อของกุ้งแม่นต้า

นัก-ซึง ฮยอน เป็นนักวิจัยหลังปริญญาเอกที่ SEAS และเป็นนักเขียนร่วมคนแรกของเอกสารวิจัย

“เมื่อคุณดูกระบวนการปั้นในกล้องถ่ายภาพความเร็วสูง จะมีการหน่วงเวลาระหว่างที่สเกลไรท์ปลดล็อคและกล้ามเนื้อปั้น” ฮยอนกล่าว “มันเหมือนกับเมาส์ทริกเกอร์กล่องม้า แต่แทนที่จะปิดทันที มีการหน่วงเวลาก่อนที่จะปิด มีกลไกอื่นที่ยังยึดกล้ามเนื้อไว้ แต่ไม่มีใครเข้าใจกลไกนั้นได้ว่าทำงานอย่างไร”

เอมมา สไตน์ฮาร์ดต์ เป็นนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา tại SEAS และเป็นนักเขียนคนแรกของเอกสารวิจัย

“เรารู้ว่ากุ้งแม่นต้าไม่มีกล้ามเนื้อพิเศษเมื่อเทียบกับครัสเตเชียนอื่นๆ ดังนั้นคำถามคือ หากไม่ใช่กล้ามเนื้อที่สร้างการเคลื่อนไหวที่เร็วมาก แล้วกลไกทางกลก็อาจเป็นสิ่งที่สร้างการเร่งความเร็วสูง” สไตน์ฮาร์ดต์กล่าว

เมื่อสเกลไรท์เริ่มปลดล็อค นักชีววิทยาคิดว่าเรขาคณิตของการปั้นจะทำหน้าที่เป็นล็อคที่สอง ซึ่งช่วยควบคุมการเคลื่อนไหวของแขนในขณะที่ยังคงเก็บพลังงาน แต่นี่เป็นเพียงทฤษฎีที่ยังไม่ได้ทดสอบ

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

พัฒนาโรบอทขนาดกุ้ง

ทีมงานตั้งเป้าที่จะทดสอบสมมติฐานนี้โดยการศึกษากลไกเชื่อมโยงของระบบก่อนที่จะสร้างแบบจำลองทางกายภาพ หลังจากสร้างโรบอทแล้ว ทีมงานได้พัฒนาแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของการเคลื่อนไหวและทำแผนที่สี่ระยะของการปั้นของกุ้งแม่นต้า โดยเริ่มต้นจากล็อคสเกลไรท์และสิ้นสุดด้วยการปั้นของการปั้น

นักวิจัยพบว่าหลังจากที่สเกลไรท์ปลดล็อค เรขาคณิตของกลไกจะเข้าควบคุมและยึดการปั้นไว้จนกว่าจะถึงจุดเหนือศูนย์กลางก่อนที่ล็อคจะปลดปล่อย

“กระบวนการนี้ควบคุมการปล่อยพลังงานยืดหยุ่นที่เก็บไว้และเพิ่มผลลัพธ์ทางกลของระบบ” สไตน์ฮาร์ดต์กล่าว “กระบวนการล็อคทางเรขาคณิตเผยให้เห็นว่าสิ่งมีชีวิตสร้างการเร่งความเร็วสูงมากในระยะเวลาสั้นๆ เช่น การปั้น”

กระบวนการนี้ถูกเลียนแบบในโรบอทขนาด 1.5 กรัม ซึ่งมีขนาดเท่ากับกุ้งแม่นต้า แม้ว่าจะไม่ถึงความเร็วของการปั้นของกุ้งแม่นต้า แต่โรบอทแสดงความเร็วที่น่าประทับใจที่ 26 เมตรต่อวินาทีในอากาศ อัตราการเร่งนี้หมายความว่าอุปกรณ์นี้เร็วกว่าอุปกรณ์อื่นๆ ในขนาดเดียวกัน

เชลล่า พาเทค เป็นนักวิจัยร่วมและศาสตราจารย์ภาควิชาชีววิทยาแห่งมหาวิทยาลัยดุ๊ก

“การศึกษานี้เป็นตัวอย่างของวิธีการทำงานร่วมกันระหว่างสาขาวิชาที่สามารถนำไปสู่การค้นพบสำหรับสาขาวิชาต่างๆ” พาเทคกล่าว “กระบวนการสร้างแบบจำลองทางกายภาพและการพัฒนาแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ทำให้เราได้กลับมาทบทวนความเข้าใจเกี่ยวกับกลไกการปั้นของกุ้งแม่นต้า และในวงกว้างมากขึ้น เพื่อค้นพบว่าสิ่งมีชีวิตและระบบสังเคราะห์สามารถใช้เรขาคณิตเพื่อควบคุมการไหลของพลังงานสูงในช่วงการเคลื่อนไหวที่เร็วมากและซ้ำๆ กัน”

โดยการรวมแบบจำลองทางกายภาพและแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ นักชีววิทยาและนักโรบอทิกส์จะได้รับความเข้าใจที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นเกี่ยวกับวิธีการที่สิ่งมีชีวิตบางชนิดทำภารกิจพิเศษ

นักวิจัยร่วมคนอื่นๆ ได้แก่ เจ-ซุง โคห์, เกรกอรี ฟรีบёр์น, มิเชล เอช. โรเซน และฟาตมา เซย์นеп เทเมล