Надзвичайно потужний робот імітує рух креветки-мантиса

Інтердисциплінарна команда робототехніків, інженерів і біологів університету Гарварда Джона А. Паулсона школи інженерії та прикладних наук розробила нового робота, який може імітувати удар креветки-мантиса. Ці істоти мають найсильніший удар серед усіх завдяки своїм клубоподібним придаткам, які прискорюються швидше, ніж куля з вогнепальної зброї. Біологи давно намагаються зрозуміти, як креветки-мантиси виробляють ці надшвидкі рухи, але нові високошвидкісні методи зображення проливають нове світло.

Дослідження було опубліковано в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Роберт Вуд – професор Гаррі Льюїса і Мерілин Макграт інженерії та прикладних наук у школі інженерії та прикладних наук Гарвардського університету. Він також старший автор статті.

“Ми зацікавлені багатьма видатними поведінками, які ми бачимо в природі, особливо коли ці поведінки відповідають або перевершують те, що може бути досягнуто людьми створеними пристроями”, – сказав Вуд. “Швидкість і сила ударів креветок-мантиса, наприклад, є наслідком складного підлеглого механізму. Будуючи робототехнічну модель ударної кінцівки креветки-мантиса, ми можемо вивчати ці механізми в безпрецедентних деталях”.

Механізми закріплення серед малих організмів

Малі організми, такі як жаби і хамелеони, залежать від випуску механізму закріплення для виробництва надшвидких рухів. Вони зберігають пружну енергію і швидко випускають її через механізм закріплення. У випадку креветки-мантиса два малих структури, званих склеритами, вбудовані в сухожилля м’язів і діють як закріплення кінцівки.

Одна з помітних відмінностей між креветкою-мантиса і іншими подібними організмами полягає в тому, що перша має затримку, коли склерити розчіплюються в кінцівці креветки-мантиса.

Нак-сун Хьон – постдокторант у школі інженерії та прикладних наук Гарвардського університету і співавтор статті.

“Коли ви дивитеся на процес удару на надвисокошвидкісній камері, існує затримка між випуском склеритів і пострілом кінцівки”, – сказав Хьон. “Це ніби миша спрацювала пастку, але замість того, щоб вона щелкнула одразу, існує помітна затримка перед тим, як вона щелкнула. Очевидно, існує ще один механізм, який тримає кінцівку на місці, але ніхто не зміг аналітично зрозуміти, як цей механізм працює”.

Емма Стейнгарт – аспірантка школи інженерії та прикладних наук Гарвардського університету і перший автор статті.

“Ми знаємо, що креветки-мантиса не мають особливих м’язів порівняно з іншими ракоподібними, тому питання полягає в тому, якщо це не їхні м’язи створюють швидкі рухи, то повинен існувати механічний механізм, який виробляє високі прискорення”, – сказала Стейнгарт.

Коли склерити ініціюють розчіплення, біологи вважають, що геометрія кінцівки діє як друге закріплення. Це допомагає контролювати рух руки, поки вона продовжує збирати енергію. Однак це лише неперевірена теорія.

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

Розробка робота розміру креветки

Команда вирішила перевірити цю гіпотезу, вивчаючи механіку зв’язку системи перед тим, як побудувати фізичну, робототехнічну модель. Після побудови робота команда розробила математичну модель руху і відображення чотирьох різних фаз удару креветки-мантиса. Вони почали з закріплених склеритів і закінчили пострілом кінцівки.

Дослідники виявили, що після розчіплення склеритів геометрія механізму бере верх і тримає кінцівку на місці, поки вона не досягне точки перевищення перед тим, як закріплення буде випущено.

“Цей процес контролює випуск збереженої пружної енергії і фактично підвищує механічний вихід системи”, – сказала Стейнгарт. “Геометричний процес закріплення розкриває, як організми генерують надзвичайно високі прискорення в цих короткочасних рухах, таких як удари”.

Процес був імітований у роботі розміром 1,5 грама, розміру креветки. Незважаючи на те, що він не досяг швидкості удару креветки-мантиса, робот продемонстрував вражаючу швидкість 26 метрів на секунду в повітрі. Цей темп прискорення означає, що пристрій швидший, ніж будь-який інший аналогічний пристрій такого ж масштабу.

Шелла Пейтек – співавтор і професор біології університету Дьюка

“Це дослідження демонструє, як міжгалузеві співробітництва можуть привести до відкриттів у кількох галузях”, – сказала Пейтек. “Процес побудови фізичної моделі та розробки математичної моделі змусив нас переглянути наше розуміння механіки удару креветки-мантиса і, ширше, відкрити, як організми та синтетичні системи можуть використовувати геометрію для контролю екстремального потоку енергії під час надшвидких, багаторазових рухів”.

Об’єднавши фізичні та аналітичні моделі, біологи та робототехніки отримають глибше розуміння того, як певні організми виконують надзвичайні завдання.

Інші співавтори дослідження включають Дже-сунг Коха, Грегорі Фріберна, Мішель Х. Розен і Фатму Зейнеп Темель.