Междисциплинарная команда робототехников, инженеров и биологов смоделировала механику удара креветки-богомола и построила робота, который имитирует движения. Предоставлено: Second Bay Studios и Рой Колдуэлл /Harvard SEAS)
Креветки-богомолы обладают самым сильным ударом среди всех существ в царстве животных. Их булавовидные придатки ускоряются быстрее, чем пуля из ружья, и всего один удар может оторвать руку от краба или пробить раковину улитки. Эти маленькие, но могучие ракообразные, как известно, сражались с осьминогами и побеждали.
Биологов давно интересовало то, как креветки-богомолы производят эти смертоносные сверхбыстрые движения. Последние достижения в области высокоскоростной визуализации позволяют видеть и измерять эти удары, но некоторые механизмы не совсем понятны.
Теперь междисциплинарная команда робототехников, инженеров и биологов смоделировала механику удара креветки-богомола и построила робот который имитирует движение. Исследование проливает свет на биологию этих драчливых ракообразных и открывает путь для небольших, но мощных роботизированных устройств.
Исследование опубликовано в Труды Национальной академии наук .
«Мы очарованы столькими замечательными поведениями, которые мы видим в природе, в частности, когда они соответствуют или превосходят то, что может быть достигнуто с помощью устройств, созданных руками человека», - сказал Роберт Вуд, профессор инженерных и прикладных наук Гарри Льюиса и Марлин МакГрат в Гарвардская школа инженерии и прикладных наук им. Джона А. Полсона (SEAS) и старший автор статьи. «Скорость и сила ударов креветок-богомолов, например, являются следствием сложного основного механизма. Построив роботизированную модель ударяющего отростка креветки-богомола, мы можем изучить эти механизмы в беспрецедентных подробностях».
Многие мелкие организмы - включая лягушек, хамелеонов и даже некоторые виды растений - производят сверхбыстрые движения, накапливая упругую энергию и быстро высвобождая ее с помощью защелкивающегося механизма, как в мышеловке. У креветок-богомолов две небольшие структуры, встроенные в сухожилия мышц, называемые склеритами, действуют как защелка придатка. В типичном подпружиненном механизме после снятия физической защелки пружина немедленно высвобождает накопленную энергию.
Но когда склериты расцепляются в придатке креветки-богомола, происходит короткая, но заметная задержка.
«Когда вы смотрите на процесс нанесения ударов на сверхскоростную камеру, есть временная задержка между высвобождением склеритов и срабатыванием придатка», - сказал Нак-Сын Хён, научный сотрудник SEAS и соавтор книги бумага. «Это как если бы мышь сработала ловушку для мыши, но вместо того, чтобы сразу щелкнуть, была заметная задержка перед щелчком. Очевидно, существует другой механизм, удерживающий придаток на месте, но никто не смог аналитически понять, как другой механизм работает ".
«Мы знаем, что у креветок-богомолов нет особых мышц по сравнению с другими ракообразными, поэтому вопрос в том, что если не их мышцы создают быстрые движения, то должен быть механический механизм, который производит высокие ускорения», - сказала Эмма Стейнхардт. аспирант SEAS и первый автор статьи.
Биологи предположили, что в то время как склериты инициируют расцепление, сама геометрия отростка действует как вторичная защелка, контролируя движение руки, пока она продолжает накапливать энергию. Но эта теория не была проверена.
На этом изображении показан удар 15-граммового робота размером с креветку. Предоставлено: Грег Фриберн и Эмма Стейнхардт /Harvard SEAS
Исследовательская группа проверила эту гипотезу сначала, изучив механику связи системы, а затем построив физическую роботизированную модель. Получив робота, команда смогла разработать математическую модель движения. Исследователи нанесли на карту четыре отдельные фазы удара богомола, начиная с защелкивающихся склеритов и заканчивая фактическим ударом отростка. Они обнаружили, что действительно после того, как склериты разблокируются, геометрия механизма вступает во владение, удерживая отросток на месте до тех пор, пока он не достигнет точки чрезмерного центрирования, а затем защелка освобождается.
«Этот процесс контролирует высвобождение накопленной упругой энергии и фактически увеличивает механическую мощность системы», - сказал Стейнхардт. «Геометрический процесс фиксации показывает, как организмы создают чрезвычайно высокое ускорение в таких коротких движениях, как удары руками».
Исследователи воспроизвели этот процесс в 15-граммовом роботе размером с креветку. Пока робот не достиг скорости богомола креветка удар, его скорость достигла 26 метров в секунду в воздухе - с ускорением, эквивалентным автомобилю, разгоняющемуся до 58 миль в час за четыре миллисекунды. Устройство работает быстрее, чем любые аналогичные устройства того же масштаба на сегодняшний день.
«Это исследование демонстрирует, как междисциплинарное сотрудничество может привести к открытиям во многих областях», - сказала соавтор Шейла Патек, профессор биологии в Университете Дьюка. «Процесс построения физической модели и разработки математической модели привел нас к пересмотру нашего понимания Креветки-богомола Механики удара и, в более широком смысле, к открытию того, как организмы и синтетические системы могут использовать геометрию для управления экстремальным потоком энергии во время ультра -быстрые, многократные движения, движения ".
Такой подход комбинирования физических и аналитических моделей может помочь биологам понять, а робототехники имитировать некоторые другие выдающиеся достижения природы, например, как муравьи-ловушки так быстро щелкают челюстями или как лягушки поднимаются так высоко.