Mantis Karidesinin Hareketini Taklit Eden Ultra Güçlü Robot

Harvard Üniversitesi John A. Paulson Mühendislik ve Uygulamalı Bilimler Okulu'ndaki robotikçiler, mühendisler ve biyologlardan oluşan disiplinler arası bir ekip, peygamber devesi karidesinin yumruğunu taklit edebilen yeni bir robot geliştirdi. Bu yaratıklar, bir silahtan çıkan mermiden daha hızlı hızlanan sopa benzeri uzantıları sayesinde en güçlü yumruklara sahiptir. Biyologlar, mantis karidesinin bu ultra hızlı hareketleri nasıl ürettiğini uzun süredir anlamaya çalışıyorlar, ancak yeni yüksek hızlı görüntüleme gelişmeleri yeni bir ışık tutuyor.

Araştırma yayınlandı Ulusal Bilimler Akademisi Tutanakları. 

Robert Wood, Harvard John A. Paulson Mühendislik ve Uygulamalı Bilimler Okulu'nda, Harvard John A. Paulson Mühendislik ve Uygulamalı Bilimler Okulu'nda (SEAS) Harry Lewis ve Maryln McGrath Mühendislik ve Uygulamalı Bilimler Profesörüdür. Aynı zamanda makalenin kıdemli yazarıdır. 

Wood, "Doğada gördüğümüz pek çok olağanüstü davranış bizi büyüledi, özellikle de bu davranışlar insan yapımı cihazlarla elde edilebilecekleri karşıladığında veya aştığında," dedi. "Örneğin, peygamber devesi karidesinin vuruşlarının hızı ve gücü, altta yatan karmaşık bir mekanizmanın sonucudur. Bir peygamberdevesi karidesinin uzantıya çarpan robotik bir modelini oluşturarak, bu mekanizmaları benzeri görülmemiş ayrıntılarla inceleyebiliyoruz."

Küçük Organizmalar Arasındaki Mandallama Mekanizmaları

Kurbağalar ve bukalemunlar gibi küçük organizmalar, ultra hızlı hareketler üretmek için bir kilitleme mekanizmasının serbest bırakılmasına güvenirler. Elastik enerjiyi depolarlar ve kilitleme mekanizması aracılığıyla hızla serbest bırakırlar. Mantis karidesinin özel durumunda, sklerit adı verilen iki küçük yapı kasların tendonlarına gömülür ve bunlar uzantının mandalı görevi görür. 

Mantis karidesi ile diğer benzer organizmalar arasındaki göze çarpan farklardan biri, skleritlerin bir peygamber devesi karidesinin apendajındaki kilitleri açıldığında, ilkinin bir gecikmeye sahip olmasıdır. 

Nak-seung Hyun, SEAS'ta doktora sonrası araştırmacı ve makalenin ortak yazarıdır.

Hyun, "Ultra yüksek hızlı bir kamerada vuruş sürecine baktığınızda, skleritlerin serbest kalması ile uzantının ateşlenmesi arasında bir zaman gecikmesi var" dedi. "Sanki bir fare, bir fare kapanını tetikliyor ama kapan hemen kapanmıyor, kapanmadan önce gözle görülür bir gecikme yaşanıyor. Uzantıyı yerinde tutan başka bir mekanizma olduğu açık, ancak hiç kimse diğer mekanizmanın nasıl çalıştığını analitik olarak anlayamadı."

Emma Steinhardt, SEAS'ta yüksek lisans öğrencisi ve makalenin ilk yazarıdır. 

Steinhardt, "Mantis karidesinin diğer kabuklulara kıyasla özel kaslara sahip olmadığını biliyoruz. Dolayısıyla soru şu: Eğer hızlı hareketleri yaratan kaslar değilse, o zaman yüksek ivmeleri üreten mekanik bir mekanizma olmalı" dedi.

Skleritler mandalları açmaya başladığında, biyologlar uzantının geometrisinin ikincil bir mandal görevi gördüğüne inanırlar. Bu, enerji depolamaya devam ederken kolun hareketini kontrol etmeye yardımcı olur. Ancak, bu sadece denenmemiş bir teoridir. 

Karides Ölçekli Bir Robot Geliştirmek

Ekip, fiziksel, robotik bir model oluşturmadan önce sistemin bağlantı mekaniğini inceleyerek bu hipotezi test etmeye koyuldu. Robotu inşa ettikten sonra ekip, hareketin matematiksel bir modelini geliştirdi ve mantis saldırısının dört farklı aşamasının haritasını çıkardı. Mandallı skleritlerle başladılar ve uzantının vuruşuyla bitirdiler. 

Araştırmacılar, skleritlerin mandalı açıldıktan sonra, mekanizmanın geometrisinin devreye girdiğini ve mandal serbest bırakılmadan önce aşırı merkezleme noktasına ulaşana kadar uzantıyı yerinde tuttuğunu buldular. 

Steinhardt, "Bu süreç, depolanan elastik enerjinin salınımını kontrol eder ve aslında sistemin mekanik çıktısını artırır" dedi. "Geometrik kilitleme süreci, organizmaların bu kısa süreli hareketlerde, yumruklar gibi, nasıl son derece yüksek hızlanma ürettiklerini ortaya koyuyor."

İşlem, 1.5 gramlık, karides ölçekli bir robotta taklit edildi. Bir peygamberdevesi karidesinin hızına ulaşamasa da, robot havada saniyede 26 metre gibi etkileyici bir hız sergiledi. Bu hızlanma oranı, cihazın aynı ölçekteki benzerlerinden daha hızlı olduğu anlamına gelir. 

Shella Patek, ortak yazar ve Duke Üniversitesi'nde Biyoloji Profesörüdür.

Patek, "Bu çalışma, disiplinler arası işbirliklerinin birden çok alan için nasıl keşifler sağlayabileceğini örnekliyor" dedi. "Fiziksel bir model oluşturma ve matematiksel modeli geliştirme süreci, mantis karidesi çarpma mekaniği anlayışımızı yeniden gözden geçirmemize ve daha geniş anlamda, organizmaların ve sentetik sistemlerin ultra hızlı, tekrarlanan aşırı enerji akışını kontrol etmek için geometriyi nasıl kullanabileceğini keşfetmemize yol açtı. -kullanım, hareketler.”

Biyologlar ve robot bilimciler, fiziksel ve analitik modelleri birleştirerek, belirli organizmaların olağanüstü görevleri nasıl üstlendikleri konusunda daha derin bir anlayış kazanacaklar. 

Araştırmanın diğer ortak yazarları arasında Je-sung Koh, Gregory Freeburn, Michelle H. Rosen ve Fatma Zeynep Temel yer alıyor.