Khả năng hạ cánh của thằn lằn có thể được sử dụng trong lĩnh vực robot

Các nhà nghiên cứu tại Đại học California, Berkeley và Viện Hệ thống Thông minh Max Planck ở Stuttgart, Đức đã chứng minh cách thằn lằn sử dụng đuôi của chúng để điều khiển trong không trung. Khả năng này cho phép chúng tự điều chỉnh khi rơi sau khi mất chân và cũng có thể giúp chúng di chuyển trên bề mặt của một cái ao.

Những phát hiện này sẽ được công bố trong tuần này trên tạp chí Nature Communications Biology.

Những kỹ thuật này rất hữu ích trong lĩnh vực robot và chúng đã được thực hiện trong các robot giống thằn lằn.

Phát hiện đáng ngạc nhiên về thằn lằn

Robert Full là giáo sư sinh học tích hợp tại UC Berkeley, và Adria Jusufi là thành viên giảng dạy tại Trường Nghiên cứu Hệ thống Thông minh Max Planck và là cựu sinh viên tiến sĩ tại UC Berkeley. Hai người đã có một phát hiện quan trọng và đáng ngạc nhiên mới rằng thằn lằn cũng sử dụng đuôi của chúng để giúp phục hồi khi chúng va vào một cái cây.

Va chạm đầu tiên là khá phổ biến ở thằn lằn, và Jusufi đã ghi lại điều này với máy quay tốc độ cao.

“Quan sát thằn lằn từ trên cao trong tán cây rừng là điều mở rộng tầm nhìn. Trước khi cất cánh, chúng sẽ di chuyển đầu lên xuống và sang hai bên để xem mục tiêu hạ cánh trước khi nhảy, như thể để ước tính khoảng cách di chuyển,” Jusufi nói.

Các video cho thấy thằn lằn, trong trường hợp này là thằn lằn nhà đuôi bằng châu Á, sẽ抓 lấy thân cây bằng chân có vuốt và đệm khi va chạm đầu tiên với cây. Điều này giúp đầu và vai của thằn lằn bật lại, và thằn lằn có lực để ép đuôi của mình vào thân cây, điều này ngăn cản nó từ việc lật ngược lại.

“Không giống như việc bị đình chỉ, một số loài thằn lằn này vẫn đang tăng tốc khi va chạm,” Jusufi nói. “Họ va chạm đầu tiên, lật ngược lại với góc cực đoan từ phương thẳng đứng – chúng trông giống như một giá đỡ sách cách xa cây – chỉ được neo bởi chân sau và đuôi khi chúng tiêu tán năng lượng va chạm. Với phản xạ ngăn chặn rơi xảy ra quá nhanh, chỉ có video quay chậm mới có thể tiết lộ cơ chế cơ bản.”

Theo các nhà khoa học, các loài động vật nhảy nhỏ và nhẹ khác như thằn lằn cũng có thể sử dụng những kỹ thuật này.

“Họ có thể có những chuyến bay dài hơn, đó là những chuyến bay cân bằng, và họ hạ cánh khác, nhưng, ví dụ, nếu họ đang cố gắng thoát, họ chọn làm hành vi này, một phần vì kích thước quan trọng,” Full nói. “Khi bạn nhỏ như vậy, bạn có những lựa chọn mà không phải là giải pháp cho những thứ lớn. Vì vậy, đây là một giải pháp được trung gian bởi cơ thể mà bạn không có nếu bạn lớn hơn.”

Cấu trúc tương tự như đuôi thằn lằn có thể được sử dụng để giúp ổn định các robot bay như máy bay không người lái, giúp chúng hạ cánh trên bề mặt thẳng đứng.

Các nhà nghiên cứu là những người đầu tiên ghi lại, mô hình hóa toán học và tái tạo hành vi này trong một robot mềm.

“Sự thích nghi là cấu trúc đã được tận dụng cho nhiều hành vi, không quan trọng cấu trúc đó đã tiến hóa ban đầu, và đây là một trong số đó mà bạn không mong đợi,” Full nói. “Bạn có thể thấy làm thế nào khả năng tuyệt vời của việc mạnh mẽ có thể cho phép những sự thích nghi này.”

“Cho đến gần đây, đuôi chưa nhận được nhiều sự chú ý như chân hoặc cánh, nhưng mọi người hiện đang nhận ra rằng chúng ta nên nghĩ về những động vật này như năm chân – một cách pentapedal,” Jusufi nói.

Theo Full, các kỹ sư robot đang thêm ngày càng nhiều chức năng vào robot, và họ đang học cách giới thiệu một bộ phận mới cho mỗi khả năng.

“Khi chúng ta phát triển robot và hệ thống vật lý của mình, các kỹ sư đều muốn làm nhiều việc hơn. Và đoán xem? Tại một thời điểm, bạn không thể tối ưu hóa robot cho mọi thứ,” ông nói. “Bạn phải sử dụng những thứ cho các hành vi khác để có được những hành vi đó.”

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

Xây dựng Robot

Các nhà nghiên cứu đã xây dựng một robot có đuôi sau khi tạo ra các bộ phận của nó bằng Carbon M2, một máy in 3D tiên tiến chuyên dụng cho cấu trúc mềm. Chân của robot được trang bị Velcro để nó có thể dính vào khi tiếp xúc, và đuôi có một cơ chế sẽ ép đuôi xuống khi chân trước chạm vào bề mặt và trượt.

Robot có đuôi đã chứng minh sự thành công tương tự khi thực hiện các hạ cánh khó. Trong tự nhiên, thằn lằn có đuôi hạ cánh thành công trên bề mặt thẳng đứng mà không rơi 87% thời gian. Robot không đuôi đã chứng minh khả năng hạ cánh thành công 15% thời gian trong các thử nghiệm, nhưng robot mới có đuôi có thể hạ cánh 55% thời gian trong các thử nghiệm.

Các nhà nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng robot có đuôi dài bằng một nửa chiều dài của đầu và thân kết hợp lại có thể thành công gần như robot có đuôi dài hơn. Họ cũng phát hiện ra rằng robot có đuôi ngắn cần lực chân gấp đôi để gắn vào cây.

Đội ngũ sẽ tiếp tục nghiên cứu thằn lằn và tìm kiếm các nguyên tắc mới để áp dụng vào robot, đặc biệt là robot mềm trên bề mặt thẳng đứng.

“Tiến hóa không phải là về sự tối ưu và hoàn hảo, mà là về sự đủ tốt. Giải pháp vừa đủ tốt thực sự đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp cho bạn một loạt các khả năng để bạn có thể mạnh mẽ hơn trong các môi trường thách thức,” Full nói. “Tiến hóa giống như một người thợ thủ công không bao giờ biết họ sẽ tạo ra gì và sử dụng mọi thứ có sẵn để tạo ra một thứ gì đó có thể hoạt động.”

“Các động vật nhỏ trên cây không có sự thích nghi hình thái rõ ràng cho việc bay lượn đang được phát hiện ngày càng có khả năng điều khiển không trung đáng ngạc nhiên. Các mô hình vật lý robot mềm có thể giúp giải mã sự điều khiển của những giải pháp cơ học như vậy cho việc hạ cánh,” Jusufi nói.