Технології
Технології

Хвіст гекона допоміг роботу приземлитись на вертикальну поверхню

Вчені довели, що гекони втримуються на деревах після стрибків за допомогою хвоста, та створили робота, який відтворив їхні рухи. Для цього вони проаналізували відео стрибків пласкохвостих домашніх геконів і надрукували на 3D принтері м’якотілого робота, який підтвердив результати спостережень. Дослідженням керували науковці з США, Британії та Німеччини, а результати опублікували в журналі Communications Biology.

Ardian Jusufi

Ardian Jusufi

Для чого вивчати хвости?

Гекони Hemidactylus platyurus живуть на деревах та пересуваються між ними, стрибаючи зі стовбура на стовбур. Якщо відстань між деревами достатня, плазуни планують у повітрі під час стрибку та можуть зманеврувати до місця посадки. Втім, навіть якщо відстань невелика, то не схоже, що гекони поспішають сповільнювати стрибок — вони врізаються у поверхню зі швидкістю шість метрів на секунду. При цьому голова і тулуб за інерцією відштовхуються назад, але тваринам вдається втриматися на поверхні, чіпляючись задніми лапами та впираючись у стовбур хвостом. І якщо з лапами зрозуміло, що тварин тримають щетинки на ступнях, то от положення хвоста вчених зацікавило. Вони припустили, що саме він допомагає геконам не впасти під час жорсткого приземлення, адже гекон формує з нього щось подібне до підніжки велосипеда. Тож оскільки геконові хвости і без того вже були помічені за сприянням тваринам у лазінні вертикальними слизькими поверхнями та навіть бігу водою з не меншою, ніж на суші швидкістю, їх вирішили дослідити і на предмет допомоги тваринам у «польотах».

Геконів природа не готувала до польотів, адже вони не мають жодних переваг для планування у повітрі: ні перетинок між пальцями, ні на тілі, ні пристосованого хвоста, як, наприклад, у білок-летяг або летючих драконів. Втім, поміщені у аеродинамічну трубу у лабораторії, гекони могли цілком контрольовано і рівномірно ковзати нею. І цікаво, що при цьому також використовували хвіст — вони крутили ним за або проти годинникової стрілки та вигинали нагору, імовірно, щоб тримати рівновагу. Тож гіпотеза вчених щодо ролі хвоста у приземленнях геконів на дерева має всі підстави бути підтвердженою та у майбутньому покращити мобільність та керованість роботів, яким вміння компенсувати сили удару після приземлення не вистачає. Тому група біологів та робототехніків взялися за створення робота, який міг би так само крутити хвостом, як і гекони, та допоміг би оцінити характеристики стрибків плазунів.

Ardian Jusufi Lab / YouTube

Ardian Jusufi Lab / YouTube

Як робот повторив стрибки геконів?

Спершу вчені проаналізували відео стрибків азійських пласкохвостих геконів, яких відловили у заповіднику Сингапура. За два дні досліджень плазуни настрибали 37 випробувань та допомогли вирахувати необхідні для робота характеристики, як-то кутове уповільнення та приблизне значення сили, з якою гекони рухають хвостом. А головне, вони розкрили секрет цілісності гекона після ударів — плазуни вдаються до «реакції на зупинку падіння», коли весь імпульс від зіткнення головою тварина за допомогою хвоста розсіює, відхиляючись назад. Це просте механічне рішення, яке рятує тварину від травмування і дуже знадобиться роботам.

Підтвердити це мав створений м’якотілий робот. Він отримав чотири лапи, вкриті липучкою, гнучкий хвіст і моторизоване сухожилля. Останнє і притискало хвіст до стіни, коли голова робота відштовхувалась від поверхні після удару. Щоб змоделювати стрибок гекона на стовбур дерева, робота катапультували на вертикально встановлену дерев’яну пластину зі швидкістю від трьох до п'яти метрів на секунду. За всім цим спостерігала високошвидкісна камера та датчики, які мали реєструвати силу, з якою робот врізався у поверхню.

Що вдалось з’ясувати?

Коли робота катапультували на стіну, він зміг втриматись у 55 відсотках випадків. Без хвоста успішність приземлення робота зменшилась на 15. Робот поводився так само як і плазуни, у тому числі і хвостом. Так, коли передні лапи вперше торкалися поверхні, поступальний момент моделі робота швидко перетворювався на кутовий та мав би скинути його донизу, якби той не знайшов точки зчеплення. Після зіткнення і гекона, і робота, відкине до землі, але якщо безхвості з них вже на цьому етапі почнуть падати, хвостовий рефлекс є перевагою та забезпечує опір крену назад, діючи як амортизатор. І дійсно, у природних умовах плазуни, які втратили хвіст через хижаків або інші обставини, майже не могли зачепитися за поверхню — однак їхні хвостаті родичі втримувались у 87 відсотках спроб.

Падіння робота без хвоста. Ardian Jusufi Lab / YouTube

Падіння робота без хвоста. Ardian Jusufi Lab / YouTube

Дослідження з роботом допомогло досягти одразу двох цілей. По-перше, вчені експериментально підтвердили, що хвіст є необхідним для успішного приземлення, якщо гекон стрибав на невелику відстань та сильно врізався у стовбур дерева. По-друге, механіка руху геконів може надихнути робототехніків на нові ефективні рішення. Результати, отримані під час експерименту з моделлю, допоможуть зробити роботів більш стійкими під час приземлення та знизити силу удару. Конструкції за типом хвоста потенційно доповнять роботи-літаки для збільшення їхньої надійності.