超强机器人模仿蝦蛄的運動

哈佛大學約翰·A·保爾森工程與應用科學學院的跨學科團隊，包括機器人工程師、工程師和生物學家，已經開發了一種新型機器人，可以模仿蝦蛄的拳擊。這些生物具有最強的拳擊力量，憑藉著它們的棒狀附肢，可以比子彈還快地加速。生物學家長期以來一直試圖了解蝦蛄如何產生這些超高速運動，但新的高速成像技術正在為我們提供新的見解。

這項研究發表在了美國國家科學院院刊上。

羅伯特·伍德是哈佛大學約翰·A·保爾森工程與應用科學學院的工程與應用科學教授，他也是這篇論文的首席作者。

“我們對於自然界中許多令人驚奇的行為感到着迷，特別是當這些行為超過或達到人造設備所能達到的水平時，”伍德說。“蝦蛄拳擊的速度和力量是複雜的底層機制的結果。通過構建一個機器人模型來模仿蝦蛄的附肢，我們可以以前所未有的細節來研究這些機制。”

小型生物中的鉤扣機制

像青蛙和變色龍這樣的小型生物，依靠釋放鉤扣機制來產生超高速運動。它們儲存彈性能量，然後快速釋放它們。就蝦蛄而言，兩個小結構稱為硬皮層，嵌入肌肉的腱中，作為附肢的鉤扣。

蝦蛄和其他類似生物之間的一個明顯差異是，當蝦蛄的附肢中的硬皮層釋放鉤扣時，會有一個延遲。

Nak-seung Hyun 是 SEAS 的博士後研究員，也是這篇論文的共同第一作者。

“當你使用超高速攝像機觀察打擊過程時，硬皮層釋放和附肢發射之間存在時間延遲，” Hyun 說。“就像老鼠觸發了老鼠陷阱，但不是立即關閉，而是有一個明顯的延遲才關閉。顯然還有其他機制在附肢上，但沒有人能夠分析地理解這個機制是如何工作的。”

Emma Steinhardt 是 SEAS 的研究生，也是這篇論文的第一作者。

“我們知道蝦蛄沒有與其他甲殼類動物不同的特殊肌肉，所以問題是，如果不是肌肉創造了快速運動，那麼一定有一個機械機制產生了高加速度，” Steinhardt 說。

當硬皮層啟動釋放鉤扣時，生物學家認為附肢的幾何形狀作為一個次要鉤扣，幫助控制手臂的運動，同時繼續儲存能量。然而，這只是一個未經測試的理論。

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開發蝦蛄級別的機器人

該團隊出於測試這個假設的目的，研究了系統的鏈接機制，然後構建了一個物理機器人模型。構建機器人後，團隊開發了一個數學模型來模擬蝦蛄的運動，並將蝦蛄的打擊分為四個不同的階段。從鉤扣的硬皮層開始，到附肢的打擊結束。

研究人員發現，當硬皮層釋放鉤扣後，機制的幾何形狀接管並將附肢固定在原位，直到它到達一個超越中心點，然後鉤扣釋放。

“這個過程控制了儲存的彈性能量的釋放，實際上增強了系統的機械輸出，” Steinhardt 說。“幾何鉤扣過程揭示了生物體如何在這些短暫的運動中產生極高的加速度，例如拳擊。”

這個過程被模擬在一個1.5克的蝦蛄級別的機器人中。儘管它沒有達到蝦蛄打擊的速度，但機器人在空氣中展示了26米每秒的速度。這個加速度意味著該設備比同等規模的其他設備更快。

Shella Patek 是杜克大學的生物學教授，也是這篇論文的共同作者。

“這項研究表明了跨學科合作如何為多個領域帶來發現，” Patek 說。“構建物理模型和開發數學模型的過程使我們重新審視了蝦蛄打擊機制的理解，並更廣泛地發現了生物體和合成系統如何使用幾何形狀來控制極端能量流動，在超高速、重複使用的運動中。”

通過結合物理模型和分析模型，生物學家和機器人工程師將更深入地了解某些生物體如何完成非凡的任務。

這項研究的其他共同作者包括 Je-sung Koh、Gregory Freeburn、Michelle H. Rosen 和 Fatma Zeynep Temel。