Hvordan små væsener genererer verdens hurtigste snaps, spring og slag

Når det kommer til ting, der er ultrahurtige og lette, robotter kan ikke holde et lys til de hurtigst springende insekter og andre små, men kraftfulde væsner.

Ny forskning kan hjælpe med at forklare, hvorfor naturen stadig slår robotter, og beskriver, hvordan maskiner kan tage føringen.

Tag de knusende mantis rejer, en lille krebsdyr ikke meget større end en tommelfinger. Dens hammerlignende munddele kan gentagne gange levere 69 kilometer i timen wallops mere end 100 gange hurtigere end et øjebliks blik for at bryde hårde snegleskaller op.

Eller den beskedne fælde-kæbe-myre:I en nul-til-60 matchup, selv den hurtigste dragster ville have ringe chance mod sine snappende kæber, som når hastigheder på mere end 140 miles i timen på mindre end et millisekund for at nå deres bytte.

En af de hurtigste accelerationer, man kender på Jorden, er hydraens stik. Disse blødkropede vanddyr forsvarer sig med hjælp fra kapsler langs deres tentakler, der fungerer som trykballoner. Når den udløses, de affyrer en spærre af mikroskopiske giftspyd, der kortvarigt accelererer 100 gange hurtigere end en kugle.

I en undersøgelse, der skulle vises 27. april i journalen Videnskab , forskere beskriver en ny matematisk model, der kan hjælpe med at forklare, hvordan disse og andre små organismer genererer deres kraftfulde strejker, chomps, spring og slag. Modellen kan også foreslå måder at designe små, naturinspirerede robotter, der kommer tættere på deres biologiske modstykker med hensyn til kraft eller hastighed.

Hemmeligheden bag disse organismers eksplosive bevægelser er ikke kraftige muskler, men snarere fjederbelastede dele kan de pille og slippe som en bueskytte, sagde Sheila Patek, lektor i biologi ved Duke University.

Hårde, men fleksible sener, neglebånd og andre elastiske strukturer strækker sig og frigiver som slynger, driver deres spring og snaps.

Et kortbenet insekt kaldet froghopper, for eksempel, har en bue-lignende struktur kaldet pleurabuen, der fungerer som en fjeder. Låseagtige fremspring på deres ben styrer frigivelsen, tillader dem at springe mere end 100 gange deres kropslængde på trods af deres korte ben. En person med så meget magt kunne springe næsten to fodboldbaner.

Imidlertid, det er ikke klart, hvordan disse mekanismer fungerer sammen for at øge magten, sagde Mark Ilton, en postdoktor ved University of Massachusetts Amherst.

Mens traditionelle matematiske præstationsmodeller tager højde for de iboende fysiske afvejninger af muskler - som kan trække sig kraftigt sammen, eller hurtigt, men ikke begge dele-de undlader også at medregne de afvejninger, der er forbundet med fjedre og låse-lignende mekanismer. Med andre ord, intet kan være hurtigere, stærkere, og mere kraftfuld på samme tid.

"Indtil nu har disse andre komponenter for det meste været sortboksede, "Sagde Patek.

Forskerne udviklede en matematisk model for hurtig bevægelse i små skalaer, der indeholder begrænsninger på fjedre og låse.

"En del af vores mål var at forsøge at udvikle en model, der er lige generaliserbar til biologiske eller konstruerede systemer, "sagde Manny Azizi, en adjunkt i økologi og evolutionær biologi ved University of California, Irvine, der studerer springfrøer.

Først, de indsamlede data om størrelse og tophastigheder og accelerationer for 104 arter af elite plante- og dyr atleter. De sammenlignede dataene med lignende målinger for miniaturerobotter inspireret af ultrahurtige bevægelser som f.eks. Udfoldning af kameleontunger, snapper Venus fluefælder og hopper insekter.

Ved at inkorporere præstationsafvejninger af biologiske og syntetiske fjedre og låse, forskerne håber bedre at forstå, hvordan variabler som f.eks. forårsmasse, stivhed, materialesammensætning og låsegeometri arbejder sammen med muskler eller motorer for at påvirke kraften.

Modellen giver forskere mulighed for at indtaste et sæt fjeder, lås og muskel- eller motorparametre og få detaljer om en persons teoretiske maksimalhastighed tilbage, acceleration, og andre aspekter af ydeevne ved en given vægt.

Modellen har store konsekvenser for ingeniører. Det tyder på, at robotter endnu ikke kan springe en loppe delvist, fordi det er så hurtigt, gentagelige bevægelser kræver, at komponenter er udsøgt finjusteret til hinanden.

Men modellen giver forskere et værktøj til at designe små, hurtige robotter med mere præcist matchede komponenter, der fungerer bedre sammen for at forbedre ydeevnen, sagde Sarah Bergbreiter, en lektor i maskinteknik ved University of Maryland, der laver springrobotter på størrelse med en myr.

"Hvis du har en robot i en bestemt størrelse, som du vil designe, for eksempel, det ville give dig mulighed for bedre at undersøge, hvilken slags forår du ønsker, hvilken motor ønsker du hvilken slags lås du har brug for for at få den bedste ydeevne i den størrelsesskala, og forstå konsekvenserne af disse designvalg, "Sagde Bergbreiter.

For biologer, modellen kan også bruges til at lokalisere de øvre og nedre vægtgrænser for forskellige grupper af fjederdrevne organismer, givne variabler, såsom hvilke elastiske materialer deres kroppe er lavet af, Sagde Azizi.