Способність геконів до аварійної посадки може бути використана в робототехніці

Дослідники з Каліфорнійського університету в Берклі та Інституту інтелектуальних систем імені Макса Планка в Штутгарті, Німеччина, продемонстрували, як гекони використовують свій хвіст для маневрування в повітрі. Ця здатність дозволяє їм виправляти себе, коли вони падають після втрати хватки, і вона також може допомогти їм пересуватися по поверхні ставка.

Ці результати будуть опубліковані цього тижня в журналі Nature Communications Biology.

Ці техніки дуже корисні в робототехніці, і вони вже реалізовані в роботах, подібних до геконів.

Відкриття про геконів

Роберт Фулл – професор інтегративної біології в Каліфорнійському університеті в Берклі, а Адрія Юсуфі – член факультету в дослідницькій школі інтелектуальних систем імені Макса Планка та колишній докторант Каліфорнійського університету в Берклі. Двоє вчених зробили важливе та несподіване відкриття, що гекони також використовують свій хвіст, щоб допомогти собі, коли вони падуть головою в дерево.

Падіння головою вперед досить часто трапляються у геконів, і Юсуфі задокументував це за допомогою високошвидкісних відеокамер.

“Спостереження за геконами з висоти в лісовому канопі було відкриттям. Перед вильотом вони рухали головою вгору-вниз та з боку в бік, щоб оглянути ціль посадки перед тим, як стрибнути, ніби оцінювали відстань польоту”, – сказав Юсуфі.

Відеозаписи показують, що гекон, в даному випадку звичайний плоскохвостий гекон, хапається за стовбур дереваПод час зіткнення головою, допомагаючи своїй голові та плечам відскочити, і гекон має можливість натиснути свій хвіст на стовбур, що запобігає його падінню назад.

“Далеко від того, щоб втрачати швидкість, деякі з цих ящірок все ще прискорюються під час зіткнення”, – сказав Юсуфі. “Вони падуть головою вперед, перекидаються назад, як книжкова полиця, що відхиляється від дерева, – тільки їхні задні ноги та хвіст тримаються за дерево, розсіюючи енергію удару. Через те, що рефлекс гальмування відбувається дуже швидко, тільки повільна відеозапис може показати основний механізм цього процесу”.

За словами вчених, інші дрібні та легкі стрибаючі тварини, такі як ящірки, також можуть використовувати ці техніки.

“Вони можуть мати довші польоти, які більше нагадують польоти в рівновазі, і вони приземляються інакше, але, наприклад, якщо вони намагаються врятуватися, вони обирають такий тип поведінки, частково через свій розмір”, – сказав Фулл. “Коли ви такий маленький, у вас є варіанти, яких немає у великих тварин. Тому це своєрідне рішення, яке залежить від тіла, і його немає у великих тварин”.

Структури, подібні до хвоста гекона, можна використовувати для стабілізації літаючих роботів, таких як дрони, щоб допомогти їм приземлятися на вертикальні поверхні.

Дослідники стали першими, хто задокументував, змоделював математично та відтворив цю поведінку в м’якому роботі.

“Екзаптації – це структури, які були пристосовані для багатьох поведінок, незалежно від того, для чого вони первісно еволюціонували, і ось одна з них, яку ви не очікуєте”, – сказав Фулл. “Ви можете побачити, як ця неймовірна здатність бути надійним дозволяє цим екзаптаціям”.

“До недавнього часу хвости не отримували такої уваги, як ноги чи крила, але тепер люди розуміють, що потрібно вважати цих тварин п’ятиногими, у певному сенсі – пентапедальними”, – сказав Юсуфі.

За словами Фулла, інженери-робототехніки додають все більше функцій до роботів і вчаться вводити нову частину для кожної здатності.

“Під час еволюції наших роботів та фізичних систем інженери хочуть робити все більше речей. І猜, що на певному етапі ви не можете оптимізувати робота для всього”, – сказав він. “Ви повинні використовувати речі для інших поведінок, щоб отримати ці поведінки”.

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

Будування робота

Дослідники побудували робота з хвостом після створення його частин за допомогою 3D-принтера Carbon M2, спеціально розробленого для м’яких структур. Ноги робота були оснащені велкро, щоб вони могли чіплятися при контакті, а хвіст мав механізм, який тиснув вниз, коли передні ноги торкалися поверхні та ковзали.

Робот з хвостом продемонстрував подібний успіх під час жорстких посадок. У природі гекони з хвостами успішно приземляються на вертикальні поверхні без падіння 87% часу. Безхвості роботи продемонстрували здатність приземлятися успішно 15% часу в випробуваннях, але новий робот з хвостом зміг приземлитися 55% часу в випробуваннях.

Дослідники також виявили, що роботи з хвостами, які становлять половину довжини голови та тіла разом, були майже так само успішні, як і довші хвости, які мали довжину голови та тіла. Вони також виявили, що роботи з короткими хвостами потребували вдвічі більшої сили ноги, щоб залишатися прикріпленими до дерева.

Команда продовжить дослідження геконів та шукатиме нові принципи для застосування в роботах, особливо в м’яких роботах на вертикальних поверхнях.

“Еволюція не полягає в оптимальності та досконалості, а радше в достатності. Достатньо добра можливість дійсно забезпечує вам ширину можливостей, так що ви набагато більш стійкі в складних середовищах”, – сказав Фулл. “Еволюція виглядає як майстер, який ніколи не знає, що він створить, і використовує все, що є в нього під рукою, щоб зробити щось робоче”.

“Малі деревні тварини без очевидних морфологічних адаптацій для польоту все частіше виявляються здатними до несподіваних повітряних маневрів. М’які робототехнічні фізичні моделі можуть допомогти розшифрувати контроль таких механічно опосередкованих рішень для посадки”, – сказав Юсуфі.