超强大的机器人模仿螳螂虾的运动

哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院的一个由机器人学家、工程师和生物学家组成的跨学科团队开发了一种可以模仿螳螂虾出拳的新型机器人。 这些生物拥有最强的攻击力，因为它们的棒状附肢比枪中的子弹加速得更快。 生物学家长期以来一直试图了解螳螂虾如何产生这些超快的运动，但新的高速成像技术的进步正在带来新的曙光。

该研究发表在 诉讼中的国家科学院院士. 

罗伯特·伍德 (Robert Wood) 是哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院 (SEAS) 的 Harry Lewis 和 Maryln McGrath 工程与应用科学教授。 他也是该论文的资深作者。 

伍德说：“我们对自然界中看到的许多非凡行为着迷，特别是当这些行为达到或超过人造设备所能达到的水平时。” “例如，螳螂虾攻击的速度和力量是复杂的潜在机制的结果。 通过构建螳螂虾撞击附肢的机器人模型，我们能够以前所未有的细节研究这些机制。”

小生物之间的闭锁机制

像青蛙和变色龙这样的小型生物体依靠释放闭锁机制来产生超快的运动。 它们储存弹性能量并通过闭锁机构快速释放它。 在螳螂虾的具体情况中，两个称为骨片的小结构嵌入肌肉腱中，充当附肢的闩锁。 

螳螂虾和其他类似生物之间的显着区别之一是，螳螂虾附肢中的骨片解锁时，前者有延迟。 

Nak-seung Hyun 是 SEAS 的博士后研究员，也是该论文的共同第一作者。

“当你在超高速摄像机上观察击打过程时，会发现骨片释放和附肢发射之间存在时间延迟，”Hyun 说。 “这就好像一只老鼠触发了一个捕鼠器，但它不是立即折断，而是在折断之前有明显的延迟。 显然还有另一种机制将附肢固定在适当的位置，但没有人能够分析地理解另一种机制是如何工作的。”

艾玛·斯坦哈特 (Emma Steinhardt) 是 SEAS 的研究生，也是该论文的第一作者。 

“我们知道，与其他甲壳类动物相比，螳螂虾没有特殊的肌肉，所以问题是，如果不是它们的肌肉产生快速运动，那么就一定存在一种产生高加速度的机械机制，”斯坦哈特说。

当骨片开始解锁时，生物学家认为附肢的几何形状充当辅助闩锁。 这有助于控制手臂的运动，同时继续储存能量。 然而，这只是一个未经检验的理论。 

开发虾规模的机器人

该团队在构建物理机器人模型之前，通过研究系统的连杆力学来测试这一假设。 建造机器人后，研究小组开发了运动的数学模型，并绘制了螳螂攻击的四个不同阶段。 他们从闭锁的骨片开始，以肢体的撞击结束。 

研究人员发现，在骨片解锁后，该机构的几何形状接管并将附属物固定到位，直到它在闩锁释放之前达到过中心点。 

“这个过程控制了存储的弹性能的释放，实际上增强了系统的机械输出，”斯坦哈特说。 “几何锁定过程揭示了生物体如何在这些短时间运动（例如出拳）中产生极高的加速度。”

该过程在 1.5 克重的虾类机器人中进行了模仿。 尽管没有达到螳螂虾的攻击速度，但该机器人在空中展示了每秒 26 米的惊人速度。 这种加速率意味着该设备比同等规模的任何类似设备都要快。 

谢拉·帕泰克 (Shella Patek) 是杜克大学生物学教授、合著者

“这项研究例证了跨学科合作如何为多个领域带来发现，”帕泰克说。 “建立物理模型和开发数学模型的过程使我们重新审视对螳螂虾撞击力学的理解，更广泛地发现生物体和合成系统如何利用几何结构来控制超快、重复的极端能量流。 -使用、动作。”

通过结合物理和分析模型，生物学家和机器人学家将更深入地了解某些生物体如何承担非凡的任务。 

该研究的其他合著者包括 Je-sung Koh、Gregory Freeburn、Michelle H. Rosen 和 Fatma Zeynep Temel。