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Il robot che imita il pugno di un gambero di mantide o canocchia pavone

Il robot ultra potente imita il movimento dei gamberetti di mantide
 


Un team interdisciplinare di roboticisti, ingegneri e biologi dell’Università di Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences ha sviluppato un nuovo robot in grado di imitare il pugno di un gambero di mantide. Queste creature hanno il pugno più forte di tutti grazie alle loro appendici simili a mazze che accelerano più velocemente di un proiettile di una pistola. I biologi hanno cercato a lungo di capire come i gamberetti mantide producono questi movimenti ultraveloci, ma i nuovi progressi nell’imaging ad alta velocità stanno gettando nuova luce.

La ricerca è stata pubblicata negli Atti della National Academy of Sciences . 

Robert Wood è Harry Lewis and Maryln McGrath Professor of Engineering and Applied Sciences presso la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences presso la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS). È anche autore senior del documento. 

“Siamo affascinati da così tanti comportamenti straordinari che vediamo in natura, in particolare quando questi comportamenti soddisfano o superano ciò che può essere ottenuto dai dispositivi creati dall’uomo”, ha affermato Wood. “La velocità e la forza dei colpi di canocchia, ad esempio, sono una conseguenza di un complesso meccanismo sottostante. Costruendo un modello robotico di un’appendice che colpisce la canocchia, siamo in grado di studiare questi meccanismi con dettagli senza precedenti».

Meccanismi di aggancio tra i piccoli organismi
Piccoli organismi come rane e camaleonti si affidano al rilascio di un meccanismo di aggancio per produrre movimenti ultraveloci. Immagazzinano energia elastica e la rilasciano rapidamente attraverso quel meccanismo di aggancio. Nel caso specifico della canocchia, nei tendini dei muscoli sono incastonate due piccole strutture chiamate scleriti che fungono da chiusura dell’appendice. 

Una delle differenze evidenti tra gamberetti mantide e altri organismi simili è che il primo ha un ritardo quando gli scleriti si sbloccano nell’appendice di un gambero mantide. 

Nak-seung Hyun è un borsista post-dottorato presso SEAS e co-primo autore del documento.

“Quando guardi il processo sorprendente su una fotocamera ad altissima velocità, c’è un ritardo tra il rilascio degli scleriti e l’attivazione dell’appendice”, ha detto Hyun. “È come se un topo innescasse una trappola per topi, ma invece di scattare subito, c’era un notevole ritardo prima che scattasse. C’è ovviamente un altro meccanismo che tiene in posizione l’appendice, ma nessuno è stato in grado di capire analiticamente come funziona l’altro meccanismo”.

Emma Steinhardt è una studentessa laureata presso SEAS e la prima autrice dell’articolo. 

“Sappiamo che i gamberetti mantide non hanno muscoli speciali rispetto ad altri crostacei, quindi la domanda è, se non sono i loro muscoli a creare i movimenti veloci, allora deve esserci un meccanismo meccanico che produce le accelerazioni elevate”, ha detto Steinhardt.

Quando gli scleriti iniziano a sbloccarsi, i biologi ritengono che la geometria dell’appendice agisca come chiusura secondaria. Questo aiuta a controllare il movimento del braccio mentre continua a immagazzinare energia. Tuttavia, questa è solo una teoria non testata. 

 
Il robot imita il potente pugno della canocchia


 

Sviluppo di un robot a scala di gamberetti
Il team ha deciso di testare questa ipotesi studiando i meccanismi di collegamento del sistema prima di costruire un modello fisico robotico. Dopo aver costruito il robot, il team ha sviluppato un modello matematico del movimento e ha mappato quattro fasi distinte dell’attacco della mantide. Iniziavano con gli scleriti agganciati e finivano con il colpo dell’appendice. 

I ricercatori hanno scoperto che dopo che gli scleriti si sono sbloccati, la geometria del meccanismo prende il sopravvento e mantiene l’appendice in posizione fino a quando non raggiunge un punto di centraggio eccessivo prima che il fermo venga rilasciato. 

“Questo processo controlla il rilascio di energia elastica immagazzinata e migliora effettivamente l’uscita meccanica del sistema”, ha affermato Steinhardt. “Il processo di bloccaggio geometrico rivela come gli organismi generano un’accelerazione estremamente elevata in questi movimenti di breve durata, come i pugni”.

Il processo è stato imitato in un robot a scala di gamberetti da 1,5 grammi. Nonostante non abbia raggiunto la velocità di un colpo di gambero di mantide, il robot ha dimostrato un’impressionante velocità di 26 metri al secondo in aria. Questa velocità di accelerazione significa che il dispositivo è più veloce di altri simili sulla stessa scala. 

Shella Patek è co-autrice e professoressa di biologia alla Duke University

“Questo studio esemplifica come le collaborazioni interdisciplinari possono produrre scoperte per più campi”, ha affermato Patek. “Il processo di costruzione di un modello fisico e lo sviluppo del modello matematico ci ha portato a rivisitare la nostra comprensione della meccanica del colpo di gambero di mantide e, più in generale, a scoprire come gli organismi e i sistemi sintetici possono utilizzare la geometria per controllare il flusso di energia estremo durante ultraveloci, ripetuti -uso, movimenti.”

Combinando modelli fisici e analitici, biologi e robotici acquisiranno una comprensione più profonda di come determinati organismi intraprendono compiti straordinari. 

Altri coautori della ricerca includono Je-sung Koh, Gregory Freeburn, Michelle H. Rosen e Fatma Zeynep Temel.

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