Робот повторил удар рака-богомола

Многие даже маленькие организмы умеют генерировать сверхбыстрые движения благодаря тому, что их строение позволяет накапливать и высвобождать упругую энергию.

Впрочем, биологи до сих пор не понимали, как это происходит у раков-богомолов, которые высвобождают ее с небольшой задержкой. Поэтому они объединились с инженерами и построили работа с похожим механизмом, который указал на причину «заедание» — она ​​в геометрии склеритов, хотя это не смог достичь скорости удара ракообразного. Детали исследования ученые опубликовали в Proceedings of the National Academy of Sciences. Одним из вариантов сдвинуть что-то с места являются пружинные механизмы, которые способны высвободить запасенную энергию под действием засова. Такие косвенные механизмы срабатывания пружины (latch-mediated spring actuation, LaMSA) обеспечивают преобразование запасной потенциальной энергии пружины в кинетическую во множестве организмов от растений к животным. Например, в челюстях муравьев, лягушачьих лапах, грибов и цветов. Они используют этот механизм как компромисс между силой и скоростью в своих мышцах для достижения наибольшей выходной мощности. Главную роль играют так называемые задвижки — контактное место, что удерживает энергию исполнительного механизма (например, мышц), а затем, под действием какого-то триггера, снимает и высвобождает ее. И хотя биологи хорошо знакомы с тем, что дает возможность в природе использовать упругую энергию, принципы того, как задвижки позволяют накапливать ее и провоцировать высвобождение, только начали исследоваться.

Ротоногие или раки-богомолы также используют этот механизм, им он нужен для нанесения одного из самых быстрых среди животных ударов. Почти трех сантиметровым придатком они способны бить со скоростью до 106 радиан в секунду, чего достаточно, чтобы разбивать даже твердые раковины моллюсков. Раки-богомолы накапливают потенциальную энергию благодаря деформации гибких частей экзоскелета. Они являются частью четырехчленного рычажного механизма, который и превращает накопленную упругую энергию в быстрые удары. Роль задвижки играют склериты, то есть плотные участки оболочки ракообразного, которые противостоят силам больших антагонистических мышц. Мышцы сокращаются, накапливая потенциальную энергию, которую склериты сдерживают, а затем высвобождают, отскакивая. Однако, во времени между отскакивания склеритов и ударом, ученые заметили странную задержку: вместо того, чтобы немедленно высвобождать накопленную энергию, удар происходит примерно за 0,9 миллисекунды. Таким образом, биологи предположили, что в то время как склериты инициируют расцепления, сама геометрия отростка действует как вторичная задвижка, и еще некоторое время позволяет ракообразных накапливать энергию для удара.

Чаще всего мы пишем новости о том, как робототехники вдохновляются биологией и пытаются повторить способности каких-то животных. Однако, на этот раз робота создавали специально для ротоногих — чтобы изучить механику его удара. Роботы гораздо удобнее для исследований, чем живые ракообразные и не только, ведь модели легко модифицируются как при разработке, так и во время выполнения, а их параметры легче контролировать. Для имитации скорости и ускорения ударов раков-богомолов и для характеристики гидродинамики удара уже разрабатывали робота, но он не мог дать возможность изучить именно механизмы сцепления или замыкания склеритов. Здесь же инженеры вместе с биологами взялись за создание точной динамической модели, которая повторила процесс переключения между фазами нагрузки пружины в придатке ракообразного и ее срабатывания.

Интересно, что для этого робота пришлось создавать из плотного кевларового покрытия, которое отличается высокой прочностью среди других материалов. Робота сделали весом в полтора грамма и размером с самого рака. Он не смог достичь такой же скорости, но мог наносить удары со скоростью более 26 метров в секунду в воздухе и пять метров в секунду в воде. Исследователи отмечают, что это намного быстрее, чем любые аналогичные устройства того же масштаба. Робот-богомол не только имитирует необычную механику и кинематику живых раков-богомолов, но также станет хорошей тестовой системой для определения показателей надежности и производительности и для других подобных механизмов с пружиной и запорами.

Ключевыми открытиями эксперимента исследователи считают три вещи: подтвержден механизм задержки срабатывания через вторичный засов, а значит уменьшение поэтому кинетической энергии, а также разница в изменчивости удара в воде и на воздухе. Подобно настоящему движения раков-богомолов, робот также потратил много времени на задержку — 66 миллисекунд, что подтверждает гипотезу о наличии дополнительного механизма замыкания в раков-богомолов, как и предполагали биологи. С роботом удалось выделить четыре временные фазы ударного движения, которые были все же длиннее, чем в живых ротоногих, но совпадали по характеристикам. Тем более, что по подсчетам, работу удалось накопить столько же потенциальной энергии, и ракам-богомол — 35,9 милиджоуля. Так ученые увидели, что склериты раз блокируются несколько раньше, чем напряжение между ними достигнет критической точки.

Несмотря на то, что четырёхчленная система рычажных механизмов работа намного прощечем ​​у рака, две фазы все же указали: придаток теряет контакт с телом и начинает движение, пока пружина еще не отпущена. Это и приводит к промежуточному периоду, и как считают исследователи, позволяют ракообразных часто использовать такой удар. Также, несмотря на то, что этот робот создавался с целью воспроизвести поведение рака-богомола, такой же механизм сцепления можно применить к любым других животных, а также исследовать возможность, например, передвижения, и создать прыгающего таким образом робота.