خبر

  • تک بورد - هندسه می تواند راز تسریع سریع حمله میگوها را نگه دارد

    هندسه می تواند راز تسریع سریع حمله میگوها را نگه دارد
    16 روز و 13 ساعت قبل

    طراحی قفل هندسی به حیوانات اجازه می دهد تا تنها با یک حرکت ورودی انرژی را ذخیره و آزاد کند
    میگوی مانتیس دارای یکی از قوی ترین و فوق سریع مشت ها در طبیعت است - این با نیروی تولید شده توسط گلوله کالیبر 22. این باعث می شود که این موجود برای دانشمندان مشتاق به کسب اطلاعات بیشتر در مورد بیومکانیک مربوطه ، مورد مطالعه قرار گیرد. در بین موارد دیگر ، این می تواند منجر به روبات های کوچکی شود که قادر ب

    روبرت وود ، نویسنده ارشد روباتیک در دانشگاه هاروارد ، می گوید: "ما شیفته بسیاری از رفتارهای قابل توجهی هستیم که در طبیعت مشاهده می کنیم ، به ویژه هنگامی که این رفتارها با آنچه دستگاه های ساخته شده توسط انسان می توانند دست یابند یا فراتر از آنها برسد". دانشکده مهندسی و علوم کاربردی پاولسون (SEAS). به عنوان مثال ، سرعت و نیروی حمله میگوهای مانتیس ، نتیجه مکانیسم پیچیده ای است. با ساخت یک مدل روباتیک از یک ضمیمه قابل توجه میگو ، ما می توانیم این مکانیسم ها را با جزئیات بی سابقه ای مطالعه کنیم. " پرواز بی همتا هدف نهایی این ابتکار ایجاد گروهی از ربات های کوچک به هم پیوسته است که قادر به پرواز مداوم هستند-با توجه به مقیاس اندازه حشرات ، که باعث تغییر نیروهای مختلف در بازی می شود ، یک چالش مهم فناوری است. در سال 2019 ، گروه وود دستیابی به سبک ترین ربات در مقیاس حشرات را اعلام کرد که به پرواز پایدار و بدون مانع دست یافته است-نسخه بهبود یافته ای به نام RoboBee X-Wing. (کنی بروئر ، که در Nature می نویسد ، آن را به عنوان "یک نیرو در طراحی و مهندسی سیستم" توصیف کرد.)

    در حال حاضر ، گروه وود توجه خود را به بیومکانیک ناک اوت میگوهای مانتیس معطوف کرده است. مشت زدن همانطور که قبلاً گزارش کردیم ، میگوی مانتیس انواع مختلفی دارد. حدود 450 گونه شناخته شده وجود دارد. اما آنها را می توان به طور کلی به دو نوع تقسیم کرد: آنهایی که طعمه خود را با زائده های نیزه مانند ("نیزه دار") می زنند و آنهایی که طعمه خود را ("خردکن") با پنجه های بزرگ ، گرد و چکش مانند ("ضمائم رپتورال") می زنند. ") این حملات بسیار سریع (حداکثر 23 متر در ثانیه یا 51 مایل در ساعت) و قدرتمند هستند ، اغلب حباب های حفره ای در آب ایجاد می کنند و موج ضربه ای ایجاد می کنند که می تواند به عنوان یک حمله بعدی عمل کند ، خیره کننده و گاهی اوقات طعمه را بکشد. گاهی اوقات یک ضربه می تواند حتی باعث ایجاد شب تاب شود ، به این ترتیب که حباب های حفره در هنگام فروپاشی یک نور کوتاه ایجاد می کنند.

    تبلیغات

    طبق مطالعه ای در سال 2018 ، به نظر می رسد که راز این ضربه قوی نه از ماهیچه های حجیم ، بلکه از ساختار آناتومیکی پر از بهار بازوهای میگو ، شبیه به تیر و کمان یا تله موش. ماهیچه های میگو ساختار زینی شکل را در بازو می کشند و باعث خم شدن و ذخیره انرژی بالقوه می شوند که با چرخش پنجه چماقی آزاد می شود. این در اصل یک مکانیزم شبیه به چفت است (از نظر فنی ، فعال کردن فنر با واسطه چسبندگی ، یا LaMSA) ، با ساختارهای کوچک در تاندونهای عضلانی به نام اسکلریت به عنوان چفت عمل می کند.

    خواندن بیشتر

    وقتی رسانه مهم است: میگوی مانتیس قوی خود را به هوا می کشد

    این امر به خوبی درک شده است و چندین ارگانیسم کوچک دیگر نیز وجود دارند که قادر به ایجاد حرکت های فوق سریع هستند از طریق یک مکانیسم چنگ زدن مشابه: به عنوان مثال ، پای قورباغه ها و زبان آفتاب پرستها ، و همچنین فک پایین مورچه های فک دام و انفجار دانه های گیاه. اما زیست شناسانی که سال ها روی این مکانیسم ها مطالعه کرده اند متوجه چیزی غیرمعمول در میگوی گوشته شده اند-یک میلی ثانیه تاخیر بین زمانی که عمل باز شدن و ضربه زدن اتفاق می افتد. ناک سونگ (پاتریک) هیون ، یکی از محققان فوق دکترا در SEAS ، گفت: یک دوربین فوق سریع ، بین زمان آزاد شدن اسکلریت ها و آتش زائده تاخیر زمانی وجود دارد. "انگار موش تله موش را فعال کرده است اما به جای اینکه بلافاصله بکشد ، قبل از ضربه زدن تاخیر قابل توجهی وجود داشت. بدیهی است مکانیسم دیگری وجود دارد که ضمیمه را در محل خود نگه می دارد ، اما هیچ کس نتوانسته است نحوه عملکرد مکانیسم دیگر را به صورت تحلیلی درک کند. src = "https://techbord.com/picsbody/2108/5312-1.jpg" alt = "https://techbord.com هندسه می تواند راز تسریع سریع حمله میگوها را نگه می دارد" srcset = "https://cdn.arstechnica.net/wp-content/ uploads/2021/08/mantis1.jpg 2x "> بزرگنمایی/نمای کلی از مدلهای فیزیکی با الهام از نظر بیولوژیکی که شتابهای شدید ایجاد می کنند. E. Steinhardt و همکاران ، 2021

    میگوی مانتیس فاقد ماهیچه های خاصی برای تولید چنین شتاب های سریع است ، بنابراین زیست شناسان پیشنهاد کرده اند که اسکلریت ها فقط مسئول باز شدن اولیه هستند ، در حالی که هندسه ساختار بازو به عنوان یک چفت دوم عمل می کند که حرکت را کنترل می کند. از بازو اما استاین هارت ، نویسنده اول این مقاله ، به Ars گفت: "ایده این است که طراحی پیوند به خودی خود به گونه ای است که شما می توانید در واقع انرژی را ذخیره کرده و تنها با یک حرکت ورودی آزاد کنید." این چفت هندسی است که تمام انرژی ذخیره شده را آزاد می کند. " اشتاین هارت ، هیون و همکارانشان سعی کردند این فرضیه را به صورت آزمایشی آزمایش کنند.

    برای نسخه ربات خود از ضمیمه میگو مانتیس ، آنها به فرایند تولید منحصر به فرد با الهام از کتابهای پاپ آپ (پاپ -up book MEMS) که گروه وود برای ساخت RoboBee استفاده کرد. این شامل برش طرح ها از ورق های مسطح ، لایه بندی آنها و اتصال لایه ها با چسب ، و سپس تا زدن آنها به اشکال دلخواه است. یک نوع کوچک از "عضله مصنوعی" را می توان با محرک های پیزوالکتریک ساخت ، در حالی که لولا های پلاستیکی نازک مفاصل عالی را برای حرکت چرخشی ایجاد می کنند. سپس آنها آزمایشهای متعددی را در هوا و آب با دو شرایط بارگذاری متفاوت انجام دادند.

    تبلیغات

    آنها توانستند چهار مرحله قابل توجه را شناسایی کنند و تأیید کردند که در واقع هندسه مکانیسم است که شتاب سریع را تولید می کند. پس از باز شدن اولیه توسط sclerites. عملکرد مکانیسم ربات کوچک در سطح میگو کاملاً خوب نبود ، اما ضمیمه آن همچنان در هوا به 26 متر در ثانیه می رسید ، معادل خودرویی که از صفر به 58 مایل بر ساعت در تنها چهار میلی ثانیه می رسد. اگرچه این حیوان به اندازه حیوان واقعی خوب نیست ، اما هنوز هم چشمگیر است. "alt =" https://techbord.com هندسه می توانم راز تسریع سریع حمله میگوها را نگه می دارد "srcset =" https://cdn.arstechnica.net/wp-content/uploads/2021/08/mantis3.jpg 2x "> بزرگنمایی / اعتصاب یک روبات 1.5 گرم با مقیاس میگو را بررسی کنید. گرگ فریبرن و اما اشتاین هارت/هاروارد SEP

    رسانه ممکن است اهمیت داشته باشد: یک مطالعه در سال گذشته نشان داد که میگوی مانتیس با نصف سرعت هوا مشت می زند و نشان می دهد که میگوی مانتیس بسته به محیط اطراف می تواند رفتار قابل توجه خود را دقیقاً کنترل کند. به به گفته هیون ، آزمایشات آنها در آزمایشات مبتنی بر آب به اصطلاح "اثر جرم اضافه" نشان داد. او به Ars گفت: "در مکانیک سیالات ، وقتی واقعاً سریع حرکت می کنید ، در واقع یک توده سنگین تر را تحت فشار قرار می دهید." این تأثیر در آزمایشات RoboBee کم بود ، زیرا در هوا عمل می کند ، اما این یک متغیر مهم در مدلسازی حمله میگوهای مانتیس در آب است. نویسندگان می نویسند ، استفاده مکرر و شدید بدون سایش و پارگی مکانیسم های اتصال ، " در آینده ، آنها امیدوارند که استراتژی خود را برای ترکیب مدل سازی فیزیکی و تحلیلی برای آشنایی بیشتر با گونه های دیگر ، مانند مکانیسم های اساسی مورچه های فک دام یا قورباغه های پرش ، گسترش دهند.

    "این مطالعه نشان می دهد که چگونه همکاری های بین رشته ای می تواند شیلا پاتک ، زیست شناس در دانشگاه دوک ، می گوید: "می توانید اکتشافات زیادی را در زمینه های مختلف به دست آورید." فرایند ساختن یک مدل فیزیکی و توسعه مدل ریاضی ما را به تجدید نظر در مورد مکانیک ضربه میگو نعناع و به طور گسترده تر ، کشف کرد که چگونه موجودات و سیستم های مصنوعی می توانند از هندسه برای کنترل جریان شدید انرژی در طول فوق سریع و مکرر استفاده کنند. استفاده ، حرکات. "

    DOI: PNAS ، 2021. 10.1073/pnas.2026833118 (درباره DOI ها).

    روبات از مشت محکم میگوی مانتیس تقلید می کند. ویدئو از دانشکده مهندسی و علوم کاربردی دانشگاه جان ه. پاولسون از دانشگاه هاروارد تهیه شده است.





خبرهای دیگر از علوم پایه