Robot Siêu Khỏe Mô Phỏng Chuyển Động Của Tôm Tít

Một nhóm nghiên cứu liên ngành gồm các nhà robot, kỹ sư và sinh học tại Trường Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng John A. Paulson của Đại học Harvard đã phát triển một robot mới có thể mô phỏng cú đấm của tôm tít. Những sinh vật này có cú đấm mạnh nhất nhờ các phụ lục giống như gậy của chúng tăng tốc nhanh hơn một viên đạn từ súng. Các nhà sinh học đã cố gắng hiểu cách tôm tít tạo ra những chuyển động siêu nhanh này, nhưng các tiến bộ mới trong lĩnh vực chụp ảnh tốc độ cao đang mang lại ánh sáng mới.

Nghiên cứu được công bố trên Tạp chí Proceedings of the National Academy of Sciences. 

Robert Wood là Giáo sư Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng tại Trường Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng John A. Paulson của Đại học Harvard. Ông cũng là tác giả chính của bài báo. 

“Chúng tôi bị thu hút bởi nhiều hành vi đáng chú ý mà chúng tôi thấy trong tự nhiên, đặc biệt khi những hành vi này đáp ứng hoặc vượt quá những gì có thể đạt được bởi các thiết bị do con người tạo ra,” Wood nói. “Tốc độ và lực của cú đấm tôm tít, ví dụ, là kết quả của một cơ chế phức tạp bên dưới. Bằng cách xây dựng một mô hình robot của phụ lục đấm tôm tít, chúng tôi có thể nghiên cứu những cơ chế này với chi tiết chưa từng có.”

Cơ Chế Khóa Trong Các Sinh Vật Nhỏ

Các sinh vật nhỏ như ếch và tắc kè phụ thuộc vào việc giải phóng một cơ chế khóa để tạo ra các chuyển động siêu nhanh. Chúng lưu trữ năng lượng đàn hồi và giải phóng nhanh chóng thông qua cơ chế khóa đó. Trong trường hợp cụ thể của tôm tít, hai cấu trúc nhỏ gọi là sclerites được nhúng trong gân của cơ và chúng hoạt động như khóa của phụ lục. 

Một trong những sự khác biệt rõ ràng giữa tôm tít và các sinh vật tương tự khác là tôm tít có độ trễ khi sclerites giải phóng trong phụ lục của tôm tít. 

Nak-seung Hyun là nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại SEAS và là đồng tác giả đầu tiên của bài báo.

“Khi bạn nhìn vào quá trình đấm trên máy ảnh tốc độ cao, có độ trễ giữa khi sclerites giải phóng và phụ lục bắn,” Hyun nói. “Giống như một con chuột kích hoạt một chiếc bẫy chuột nhưng thay vì nó bật ngay lập tức, có độ trễ đáng chú ý trước khi nó bật. Có rõ ràng một cơ chế khác giữ phụ lục tại chỗ, nhưng không ai có thể hiểu được cách cơ chế khác hoạt động.”

Emma Steinhardt là sinh viên nghiên cứu tại SEAS và là tác giả đầu tiên của bài báo. 

“Chúng tôi biết rằng tôm tít không có cơ đặc biệt so với các loài giáp xác khác, vì vậy câu hỏi là, nếu không phải là cơ của chúng tạo ra các chuyển động nhanh, thì phải có một cơ chế cơ học tạo ra gia tốc cao,” Steinhardt nói.

Khi sclerites khởi động giải phóng, các nhà sinh học tin rằng hình học của phụ lục hoạt động như một khóa thứ cấp. Điều này giúp kiểm soát chuyển động của cánh tay trong khi nó tiếp tục lưu trữ năng lượng. Tuy nhiên, đây chỉ là một lý thuyết chưa được kiểm tra. 

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

Phát Triển Một Con Robot Cỡ Tôm

Đội ngũ đã đặt ra để kiểm tra giả thuyết này bằng cách nghiên cứu các liên kết cơ học của hệ thống trước khi xây dựng một mô hình robot vật lý. Sau khi xây dựng robot, đội ngũ đã phát triển một mô hình toán học của chuyển động và ánh xạ bốn giai đoạn riêng biệt của cú đấm tôm tít. Họ bắt đầu với sclerites khóa và kết thúc với cú đấm của phụ lục. 

Các nhà nghiên cứu đã tìm thấy rằng sau khi sclerites giải phóng, hình học của cơ chế tiếp quản và giữ phụ lục tại chỗ cho đến khi nó đạt đến một điểm vượt trung tâm trước khi khóa giải phóng. 

“Quá trình này kiểm soát việc giải phóng năng lượng đàn hồi lưu trữ và thực sự tăng cường đầu ra cơ học của hệ thống,” Steinhardt nói. “Quá trình khóa hình học tiết lộ cách các sinh vật tạo ra gia tốc cực cao trong những chuyển động ngắn, như cú đấm.”

Quá trình này được mô phỏng trong một con robot cỡ tôm 1,5 gram. Mặc dù không đạt được tốc độ của cú đấm tôm tít, robot đã thể hiện tốc độ ấn tượng 26 mét mỗi giây trong không khí. Tốc độ gia tốc này có nghĩa là thiết bị này nhanh hơn bất kỳ thiết bị tương tự nào ở cùng quy mô. 

Shella Patek là đồng tác giả và Giáo sư Sinh học tại Đại học Duke

“Nghiên cứu này thể hiện cách các hợp tác liên ngành có thể mang lại những khám phá cho nhiều lĩnh vực,” Patek nói. “Quá trình xây dựng một mô hình vật lý và phát triển mô hình toán học đã dẫn chúng tôi đến việc xem xét lại hiểu biết của chúng tôi về cơ học đấm tôm tít và, rộng hơn, để khám phá cách các sinh vật và hệ thống tổng hợp có thể sử dụng hình học để kiểm soát dòng năng lượng cực đoan trong các chuyển động siêu nhanh, lặp lại.”

Bằng cách kết hợp các mô hình vật lý và phân tích, các nhà sinh học và roboticist sẽ có được hiểu biết sâu sắc hơn về cách một số sinh vật thực hiện các nhiệm vụ phi thường. 

Các đồng tác giả khác của nghiên cứu bao gồm Je-sung Koh, Gregory Freeburn, Michelle H. Rosen và Fatma Zeynep Temel.