Robôs pequenos e poderosos imitam o poderoso soco do camarão louva-a-deus

Resumo: Os engenheiros criaram um novo robô que modela a mecânica do soco forte do camarão mantis.

Fonte: Laboratório de Pesquisa do Exército dos EUA

Modelando a mecânica do golpe mais forte do reino animal, pesquisadores com financiamento do Exército dos EUA construíram um robô que imita o movimento do camarão mantis. Esses crustáceos belicosos podem abrir caminho para dispositivos robóticos pequenos, mas poderosos, para os militares.

Pesquisadores da Harvard University e da Duke University publicaram seus trabalhos em Proceedings of the National Academy of Sciences. Eles lançam luz sobre a biologia do camarão louva-a-deus, cujos apêndices em forma de bastão aceleram mais rápido do que uma bala de uma arma.

Apenas um golpe pode arrancar o braço de um caranguejo ou quebrar a concha de um caracol. Esses crustáceos até pegaram um polvo e venceram.

“A ideia de uma mola carregada liberada por uma trava é fundamental no projeto mecânico, mas a equipe de pesquisa observou habilmente que os engenheiros ainda precisam alcançar o mesmo desempenho de um atuador de mola mediada por trava que encontramos na natureza”, disse o Dr. Gerente de programa Dean Culver, Laboratório de Pesquisa do Exército do Comando de Desenvolvimento de Capacidades de Combate do Exército dos EUA.

“Ao imitar mais de perto a geometria da fisiologia de um camarão louva-a-deus, a equipe foi capaz de exceder as acelerações produzidas por membros em outros dispositivos robóticos em mais de dez vezes.”

A maneira como o camarão mantis produz esses movimentos mortais e ultrarrápidos há muito fascina os biólogos. Avanços recentes em imagens de alta velocidade tornam possível ver e medir esses golpes, mas alguns dos mecanismos não foram bem compreendidos.

Muitos pequenos organismos, incluindo sapos, camaleões e até alguns tipos de plantas, produzem movimentos ultrarrápidos ao armazenar energia elástica e liberá-la rapidamente por meio de um mecanismo de travamento, como uma ratoeira.

No camarão mantis, duas pequenas estruturas embutidas nos tendões dos músculos, chamadas de escleritos, atuam como a trava do apêndice. Em um mecanismo de mola típico, uma vez que a trava física é removida, a mola libera imediatamente a energia armazenada, mas quando os escleritos se destravam em um apêndice de camarão mantis, há um pequeno, mas perceptível atraso.

“Quando você olha para o processo de ataque em uma câmera de ultra-alta velocidade, há um lapso de tempo entre o momento em que os escleritos são liberados e o apêndice dispara”, disse Nak-seung Hyun, pós-doutorado na Harvard John A. Paulson School of Engenharia e Ciências Aplicadas e co-autor do artigo.

“É como se um rato disparasse uma ratoeira, mas em vez de disparar imediatamente, ocorreu um atraso perceptível antes de disparar. Obviamente, há outro mecanismo que mantém o apêndice no lugar, mas ninguém foi capaz de entender analiticamente como o outro mecanismo funciona. ”

Os biólogos levantaram a hipótese de que, enquanto os escleritos iniciam o destravamento, a geometria do próprio apêndice age como uma trava secundária, controlando o movimento do braço enquanto continua a armazenar energia. Mas essa teoria ainda não foi testada.

A equipe de pesquisa testou essa hipótese primeiro estudando a mecânica de ligação do sistema e, em seguida, construindo um modelo físico robótico. Depois de ter o robô, a equipe foi capaz de desenvolver um modelo matemático do movimento.

Isso mostra um camarão mantis e o robô
Pesquisadores com financiamento do Exército constroem um robô que imita o soco forte de um camarão mantis. Crédito: Second Bay Studios e Roy Caldwell / Harvard SEAS

Os pesquisadores mapearam quatro fases distintas do ataque do louva-a-deus, começando com os escleritos travados e terminando com o ataque real do apêndice. Eles descobriram que, de fato, depois que os escleritos se destravam, a geometria do mecanismo assume o controle, mantendo o apêndice no lugar até que ele alcance um ponto centralizado e então a trava se solta.

“Este processo controla a liberação de energia elástica armazenada e realmente melhora a produção mecânica do sistema”, disse Emma Steinhardt, estudante de graduação na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas de Harvard John A. Paulson e primeira autora do artigo. “O processo de travamento geométrico revela como os organismos geram aceleração extremamente alta nesses movimentos de curta duração, como socos.”

O dispositivo é mais rápido do que qualquer dispositivo semelhante na mesma escala até o momento.

“Este estudo exemplifica como as colaborações interdisciplinares podem produzir descobertas para vários campos”, disse a coautora Dra. Sheila Patek, professora de biologia da Duke University. “O processo de construção de um modelo físico e desenvolvimento do modelo matemático nos levou a revisitar nossa compreensão da mecânica do ataque do camarão mantis e, de forma mais ampla, a descobrir como os organismos e os sistemas sintéticos podem usar a geometria para controlar o fluxo de energia extrema durante processos ultrarrápidos e repetidos. -use, movimentos. ”

Essa abordagem de combinar modelos físicos e analíticos pode ajudar os biólogos a entender e os roboticistas a imitar alguns dos outros feitos extraordinários da natureza, como a forma como as formigas mandíbulas quebram suas mandíbulas tão rapidamente ou como as rãs se movem tão alto.

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“Uma arquitetura de atuador como essa oferece recursos impressionantes para mecanismos pequenos e leves que precisam enviar forças impulsivas para o Exército”, disse Culver. “Mas acho que há uma conclusão mais ampla aqui – algo que a comunidade de engenharia e a pesquisa de defesa podem ter em mente. Ainda não terminamos de aprender sobre o desempenho mecânico da natureza e dos sistemas biológicos. Coisas que consideramos certas, como um simples atuador de mola, ainda estão prontas para uma investigação mais aprofundada em muitas escalas. ”

Sobre esta notícia de pesquisa de robótica

Autor: Lisa Bistreich-Wolfe
Fonte: Laboratório de Pesquisa do Exército dos EUA
Contato: Lisa Bistreich-Wolfe – Laboratório de Pesquisa do Exército dos EUA
Imagem: A imagem é creditada a Second Bay Studios e Roy Caldwell / Harvard SEAS

Pesquisa original: Acesso fechado.
“Um modelo físico de camarão mantis para explorar a dinâmica de sistemas ultrarrápidos” por Dean Culver et al. PNAS


Resumo

Um modelo físico de camarão mantis para explorar a dinâmica de sistemas ultrarrápidos

A geração eficiente e eficaz de movimento de alta aceleração em biologia requer um processo para controlar o fluxo de energia e amplificar a potência mecânica do músculo com densidade de potência limitada. Até recentemente, essa capacidade era exclusiva de pequenos organismos ultrarrápidos, e esse processo era amplamente atribuído à alta densidade de potência mecânica de pequenos mecanismos de recuo elástico. Em vários organismos ultrarrápidos, as ligações repentinamente iniciam a rotação ao centralizar e inverter o torque; este processo medeia a liberação de energia elástica armazenada e aumenta a saída de potência mecânica de sistemas acionados por mola extremamente rápidos.

Aqui, relatamos a descoberta da dinâmica de ligação e travamento geométrico que revela como os organismos e sistemas sintéticos geram movimentos de aceleração extremamente alta e curta duração.

Por meio de análises sinérgicas de colisões do camarão mantis, um robô sintético do camarão mantis e um modelo matemático dinâmico, descobrimos que as ligações podem exibir fases dinâmicas distintas que controlam a transferência de energia da energia elástica armazenada para o movimento ultrarrápido. Esses princípios de projeto são incorporados em um mecanismo de escala de camarão mantis de 1,5 g capaz de atingir velocidades superiores a 26 m s − 1 s − 1 no ar e 5 m s − 1 s − 1 na água. Os conjuntos de dados físicos, matemáticos e biológicos estabelecem a mecânica de travamento com quatro fases temporais e identificam uma métrica de desempenho não dimensional para analisar a transferência potencial de energia. Essas fases temporais permitem o controle de uma cascata extrema de amplificação de potência mecânica.

A dinâmica de ligação e as características de fase temporal são facilmente ajustadas por meio de projeto de ligação em sistemas robóticos e matemáticos e fornecem uma estrutura para entender a função de ligações e travas em sistemas biológicos.

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