Биологов давно интересовало, 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 робота, который имитирует движения.
Исследование проливает свет на биологию этих драчливых ракообразных и открывает путь для небольших, но мощных роботизированных устройств.
Исследование опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.
«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 Гарвард Джон А. Школа инженерных и прикладных наук Полсона (SEAS) и старший автор статьи. "Скорость и сила ударов креветок-богомолов, например, являются следствием сложного механизма, лежащего в основе.
Построив роботизированную модель поразительного придатка креветки-богомола, мы можем изучить эти механизмы с беспрецедентной детальностью."
Многие мелкие организмы – включая лягушек, хамелеонов и даже некоторые виды растений – производят сверхбыстрые движения, накапливая упругую энергию и быстро высвобождая ее с помощью фиксирующего 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 тем, как щелкнуть.
Очевидно, существует другой механизм, удерживающий придаток на месте, но никто не смог аналитически понять, как работает другой механизм."
«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 вторичный замок, контролируя движение руки, пока она продолжает накапливать энергию. Но эта теория не была проверена.
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 придаток на месте, 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 1.5-граммовый робот размером с креветку. Хотя робот не достиг скорости атаки креветок-богомолов, его скорость в воздухе составляла 26 метров в секунду – с ускорением, эквивалентным скорости автомобиля, разгоняющейся 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 механики удара креветки-богомола и, в более широком смысле, к открытию того, как организмы и синтетические системы могут использовать геометрию для управления экстремальным потоком энергии во время сверхбыстрых повторяющихся ударов. -использование, движения."
Такой подход комбинирования физических и аналитических моделей может помочь биологам понять, а робототехники имитировать некоторые другие выдающиеся достижения природы, такие как то, как муравьи-ловушки так быстро щелкают челюстями или как лягушки поднимаются так высоко.
Соавторами этого исследования являются Je-sung Koh, Gregory Freeburn, Michelle H. Розен и Фатьма Зейнеп Темель. Он был поддержан U. S. Армейская исследовательская лаборатория и U. S. Управление армейских исследований по контракту / гранту номер W911NF1510358.