Біологія
Технології
Біологія
Технології

Робот повторив удар рака-богомола

Багато навіть маленьких організмів вміють генерувати надшвидкі рухи завдяки тому, що їхня будова дає змогу накопичувати та вивільнювати пружну енергію. Втім, біологи досі не розуміли, як це відбувається у раків-богомолів, які вивільнюють її з невеликою затримкою. Тому вони об'єдналися з інженерами та побудували робота зі схожим механізмом, який вказав на причину «заїдання» — вона у геометрії склеритів, хоч і не зміг досягнути швидкості удару ракоподібного. Деталі дослідження вчені опублікували у Proceedings of the National Academy of Sciences.

Робота механізму у повітрі. Emma Steinhardt et al. / Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021

Робота механізму у повітрі. Emma Steinhardt et al. / Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021

З ким б'ються раки-богомоли?

Одним із варіантів зрушити щось з місця є пружинні механізми, які здатні вивільнити запасену енергію під дією засува. Такі опосередковані засувом механізми спрацьовування пружини (latch-mediated spring actuation, LaMSA) забезпечують перетворення запасеної потенційної енергії пружини на кінетичну у безлічі організмів від рослин до тварин. Наприклад, у щелепах мурах одонтомахусів, жаб'ячих лапах, балістоспорах грибів і квітів. Вони використовують цей механізм як компроміс між силою і швидкістю в своїх м'язах для досягнення найбільшої вихідної потужності. Головну роль грають так звані засувки — контактне місце, що утримує енергію виконавчого механізму (наприклад, м'язів), а затим, під дією якогось тригера, знімається та вивільнює її. І хоча біологи добре знайомі з тим, що дає змогу у природі використовувати пружну енергію, принципи того, як саме засувки дають змогу накопичувати її та провокувати вивільнення, тільки почали досліджуватися.

Рак-богомол розкішний, Odontodactylus scyllarus. Jens Petersen / Wikimedia Commons

Рак-богомол розкішний, Odontodactylus scyllarus. Jens Petersen / Wikimedia Commons

Ротоногі або раки-богомоли також використовують цей механізм, їм він потрібен для нанесення одного з найшвидших серед тварин ударів. Майже трисантиметровим придатком вони здатні бити зі швидкістю до 106 радіан на секунду, чого вистачає, щоб розбивати навіть тверді раковини молюсків. Раки-богомоли накопичують потенційну енергію завдяки деформації гнучких частин екзоскелета. Вони є частиною чотириланкового важільного механізму, який і перетворює накопичену пружну енергію у швидкі удари. Роль засувки грають склерити, тобто щільні ділянки оболонки ракоподібного, які протистоять силам великих антагоністичних м'язів-розгиначів. М'язи скорочуються, накопичуючи потенційну енергію, яку склерити стримують, а затим вивільнюють, відскакуючи. Однак, у часі між відскакуванням склеритів і ударом, вчені помітили дивну затримку: замість того, щоб негайно вивільняти накопичену енергію, удар відбувається приблизно за 0,9 мілісекунди. Таким чином, біологи припустили, що в той час як склерити ініціюють розчіплювання, сама геометрія відростка діє як вторинна засувка, і ще деякий час дає змогу ракоподібному накопичувати енергію для удару.

Удар рака-богомола розкішного Odontodactylus scyllarus. Emma Steinhardt et al. / Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021

Удар рака-богомола розкішного Odontodactylus scyllarus. Emma Steinhardt et al. / Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021

До чого тут ракоподібні роботи?

Найчастіше ми пишемо новини про те, як робототехніки надихаються біологією та намагаються повторити здібності якихось тварин. Однак, цього разу робота створювали спеціально для ротоногого — щоб вивчити механіку його удару. Роботи набагато зручніші для досліджень, ніж живі ракоподібні і не тільки, адже моделі легко модифікуються як під час розробки, так і під час виконання, а їхні параметри легше контролювати. Для імітації швидкості і прискорення ударів раків-богомолів і для характеристики гідродинаміки удару вже розробляли робота, але він не міг дати можливість вивчити саме механізми зчеплення або замикання склеритів. Тут же інженери разом з біологами взялися за створення точної динамічної моделі, яка б повторила процес перемикання між фазами навантаження пружини у придатку ракоподібного і її спрацьовування.

Цікаво, що для цього робота довелося створювати з щільного кевларового покриття, що відрізняється майже найвищою міцністю серед інших матеріалів. Загалом робот вийшов вагою у півтора грама та розміром з самого рака. Він не досяг такої самої швидкості, але міг завдавати ударів зі швидкістю понад 26 метрів на секунду у повітрі і п'ять метрів на секунду у воді. Дослідники зазначають, що це набагато швидше, ніж будь-які аналогічні пристрої того ж масштабу. Робот-богомол не тільки імітує незвичайну механіку і кінематику живих раків-богомолів, але також стане непоганою тестовою системою для визначення показників надійності та продуктивності й для інших подібних механізмів з пружиною та засувом.

То біологи розібралися із ударами ротоногого?

Ключовими відкриттями експерименту дослідники вважають три речі: підтверджений механізм затримки спрацьовування через вторинний засув, зменшення через це кінетичної енергії, а також різниця у мінливості удару у воді та на повітрі. Подібно дійсному руху раків-богомолів, робот також витратив чимало часу на затримку — 66 мілісекунд, що підтверджує гіпотезу про наявність додаткового механізму замикання у раків-богомолів, як і припускали біологи. З роботом вдалося виділити чотири часові фази ударного руху, які були все ж довшими, ніж у живих ротоногих, але збігалися за характеристиками. Тим паче, що за підрахунками, роботу вдалося накопичити стільки ж потенційної енергії, що і ракам-богомолам — 35,9 міліджоуля. Так вчені побачили, що склерити розблоковуються дещо раніше, ніж напруга між ними досягне критичної точки.

Не зважаючи на те, що чотириланкова система важільних механізмів робота набагато простіша за таку у рака, дві фази все ж вказали: придаток втрачає контакт з тілом і починає рух, поки пружина ще не відпущена. Це і призводить до проміжного періоду, і як вважають дослідники, дають змогу ракоподібному часто використовувати такий удар. Також, не зважаючи на те, що цей робот створювався з метою відтворити поведінку рака-богомола, такий самий механізм зчеплення можна застосувати до будь-яких інших тварин, а також дослідити можливість, наприклад, пересування, і створити стрибаючого таким чином робота.