超级强大的机器人模仿虾蛄的运动

哈佛大学约翰·A·保尔森工程和应用科学学院的一组跨学科的机器人工程师、工程师和生物学家开发了一种新型机器人，可以模仿虾蛄的拳击。这些生物拥有最强的拳击力量，得益于它们的棒状附肢，可以比子弹还快地加速。生物学家长期以来一直试图了解虾蛄如何产生这些超快的运动，但新的高速成像技术正在揭示新的见解。

该研究发表在《国家科学院院刊》上。

罗伯特·伍德是哈佛大学约翰·A·保尔森工程和应用科学学院的哈里·刘易斯和玛丽莲·麦格拉思教授。他也是论文的首席作者。

“我们对自然界中许多令人惊叹的行为感到着迷，特别是当这些行为达到或超过人类制造的设备所能达到的水平时，”伍德说。“虾蛄打击的速度和力量是复杂的潜在机制的结果。通过构建一个虾蛄打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。”

小型生物中的闭合机制

像青蛙和变色龙这样的小型生物依靠释放闭合机制来产生超快的运动。它们储存弹性能量并快速通过闭合机制释放。特别是在虾蛄的例子中，两个小的结构称为硬皮层嵌入肌腱中，作为附肢的闭合器。

虾蛄和其他类似生物之间的一个明显区别是，前者在其附肢中有一个延迟，当硬皮层解闭时就会发生这种情况。

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

“当你在超高速摄像机上观察打击过程时，硬皮层释放和附肢发射之间存在一个时间延迟，” Hyun 说。“这就像一个鼠标触发了一个鼠标陷阱，但不是立即啪嗒一声，而是在延迟了一段时间后才啪嗒一声。显然，还有另一个机制将附肢固定在原位，但没有人能够分析地理解另一个机制是如何工作的。”

Emma Steinhardt 是 SEAS 的研究生，也是论文的第一作者。

“我们知道虾蛄没有特殊的肌肉与其他甲壳类动物相比，所以问题是，如果不是它们的肌肉产生快速运动，那么一定有一个机械机制产生高加速度，” Steinhardt 说。

当硬皮层开始解闭时，生物学家认为附肢的几何形状作为次要闭合器。它有助于在附肢继续储存能量的同时控制手臂的运动。然而，这只是一个未经测试的理论。

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开发虾规模机器人

该团队出于测试这一假设的目的，研究了系统的连杆机制，然后构建了一个物理机器人模型。在构建机器人后，团队开发了运动的数学模型，并将虾蛄打击分为四个不同的阶段。他们从闭合的硬皮层开始，结束于附肢的打击。

研究人员发现，在硬皮层解闭后，机制的几何形状接管并将附肢固定在原位，直到它到达过中心点，然后闭合器释放。

“这个过程控制了储存的弹性能量的释放，实际上增强了系统的机械输出，” Steinhardt 说。“几何闭合过程揭示了生物体如何在这些短时间内的运动中产生极高的加速度，例如拳击。”

该过程在一个1.5克的虾规模机器人中得到了模拟。尽管它没有达到虾蛄打击的速度，但机器人在空气中展示了令人印象深刻的26米每秒的速度。这意味着该设备比同等规模的其他设备更快。

Shella Patek 是杜克大学的生物学教授，也是论文的共同作者。

“这项研究表明了跨学科合作如何为多个领域带来发现，” Patek 说。“构建物理模型和开发数学模型的过程使我们重新审视了虾蛄打击机制的理解，并且更广泛地发现了生物体和合成系统如何在超快、重复使用的运动中使用几何形状来控制极端的能量流动。”

通过结合物理和分析模型，生物学家和机器人工程师将更深入地了解某些生物体如何完成非凡的任务。

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