"CRAB Lab" wirft ein Licht auf schwierige Terrain navigieren

Behind the Scenes Artikel wurde LiveScience in Zusammenarbeit mit der National Science Foundation zur Verfügung gestellt.

Physiker Daniel Goldman und seine Forscherkollegen am Georgia Institute of Technology Aufschluss über ein relativ unerforschten Thema — wie Organismen wie Schildkröten und Eidechsen auf (oder in) bewegen Sand. Wenn Sie jemals gekämpft habe, mit sogar ein gewisses Maß an Gnade auf einen weichen, sandigen Strand zu gehen, können Sie die Frage zu schätzen wissen. Die Antworten, dass Goldman "CRAB Lab" (komplexe Rheologie und Biomechanik Labor) deckt – mit Hilfe von lebenden Tieren und biologisch inspirierte Roboter – vertiefen unser Verständnis nicht nur der Tiere überleben, Evolution und Ökologie, aber auch, gegebenenfalls die Entwicklung von komplexen Lebensformen auf der Erde. Das Labor Forschung unterstützt auch das Design und die Konstruktion von Robotern, die instabilen Gelände durchqueren müssen – zum Beispiel in Katastrophengebiete, Suche und Rettung Betrieb verwendet.

Goldman untersucht zunächst die Eigenschaften der Sand, der wie ein solides, Flüssigkeit oder ein Gas und sogar handeln kann, wenn er als Doktorand der Physik an der University of Texas in Austin war. Später, als Postdoc in der University of California Berkeley Lab der Biologe Robert J. Full (führend auf dem Gebiet der Natur inspirierte Roboter), er half eine Fortbewegung auf komplexem Gelände untersuchen — Schaben Klettern von vertikalen Flächen, zum Beispiel, oder Spinnen laufen über Flächen mit paar Tritte. Ein anderen Forscher, Wyatt Korrf, interessierte sich für Bewegung auf eine andere Art von komplexem Gelände – körnig, Verschiebung der Medien. Goldman wurde angeschlossen, und die beiden Männer arbeiteten zusammen. "Einige der Erkenntnisse und Werkzeuge, die wir entwickelt dann waren unglaublich hilfreich bei meiner frühen und aktuelle Forschung, insbesondere Luft verwirbelten Betten als eine Möglichkeit zum Steuern der Bodeneigenschaften," Goldman sagt.

Ein Student oder Liebhaber der Viecher mag Goldmans Job wie ein Traum. Er arbeitete mit den unterschiedlichsten Wüstenbewohner und anderen Tieren, einschließlich Geckos, Eidechsen Zebra-tailed, Sidewinders, Geisterkrabben, Sandfish, Wind Skorpione, Trichter Weaver Spinnen und Jungtier Meeresschildkröten. Im Labor und im Feld beobachten er und seine Kollegen diese Tiere, wie sie kriechen, krabbeln, gehen, laufen, gleiten und sich ansonsten über oder in granulare Materie transportieren. Die Forscher festzunageln, genaue Angaben – flexible Stacheln auf eine Spinnenbeine, die scheinbar Bewegung über einen Draht zu erleichtern mesh, zum Beispiel, oder die Art und Weise eine Schlange flacht sich bei eine Neigung zu klettern. Dann entwerfen sie Roboter mit der physischen Elemente und Bewegungsmuster, denen sie mehr erfahren möchten. Mit diesen Tests als auch Computer-Simulationen und Analysen kann das Team entwickeln, herausfordern und Hypothesen, die im Zusammenhang mit Physik Prinzipien inspiriert von den Tieren Bewegungen zu verfeinern.

Die Krabbe Lab Besetzung von Roboter-Zeichen bis heute umfasst einen Roboter Baby Meeresschildkröten, sowie einen Sandfish Roboter nachempfunden.

Flipperbot

Das Team untersuchte kürzlich frisch geschlüpften Meeresschildkröten eilen über den Strand zum Meer – eine gefährliche Reise, die viele von uns haben in Natur TV-Shows gesehen. "Die besten Roboter Menschen Design und Build nicht out-eine Jungtier Meeresschildkröte, dessen Leben besteht aus ständig schwimmen und verwenden diese Anhängsel an Land nur für eine halbe Stunde, läuft aus dem Nest, konkurrieren. Wenn eine Frau es bis ins Erwachsenenalter sie flossen, natürlich wieder zur Eiablage verwenden, macht", sagte Goldman. Für diese Studie Krabbe, Labor Forscher Nicole Mazouchova und Forschung Techniker Andrei Savu mit einem mobilen Labor nach Jekyll Island in Georgien gereist. Sie Videoaufnahme Jungtiere Bewegungen am Strand und in einem tragbaren Prüfstand. Die Videos wieder im Labor zu analysieren, sah sie, daß auf mehr voll Sand, der Baby-Schildkröten ihre Flossen als starre Verstrebungen und Drehpunkt verwendet. Auf lockerer Sand aber die Schildkröten tiefer gegraben und beugte sich ihre Handgelenke. Mit Hilfe der Flipperbot (Sie ahnen es, einen Roboter mit Flossen), eine Mohnblume Samen gefüllten Prüfstand sowie theoretische Modellierung durch mechanische Ingenieur Paul Umbanhowar der Northwestern University (, die auch dazu beigetragen, dass die "Bot), das Team bestätigt, dass die Schildkröten Handgelenk biegen half sie abrutschen vermeiden und halten ihren Körper über dem Sand, Minimierung von Reibung und Luftwiderstand. Das Modell zeigte wie tiefer, mehr Sand Graben höhere Wirksamkeit, halten das Substrat aus unter den Füßen nachgeben zur Verfügung gestellt. "Wir fanden, dass [die Schildkröte] extrem empfindlich, wie tief es setzt seine Flossen in den Boden und das es besser wenn es seine Handgelenke Kurven" Goldman sagte. Sie fanden auch die Schildkröten (und Flipperbot) wurden ernsthaft beeinträchtigt, wenn Sie versuchen, Sand zu navigieren, die schon durch Bewegung gestört.

Flipperbot — deren Bewegungen sind überraschend anmutig – ist der erste Roboter nach dem Vorbild von Meeresschildkröten und körnige Materialien getestet. Seine Arbeit kann Ingenieure beweglicher Roboter sowie unser Verständnis der Evolution auf der Erde im Laufe eines Tages helfen – vor allem die ersten Wanderer aus dem Meer auftauchen. "Es gibt viele Spekulationen über die Mechanik, die frühen Tiere an Land zu gehen", sagt Goldman. "sie hatten Hand wie Flossen oder Flossenähnlich Füße und niemand weiß genau wie sie mit fließfähigen Substraten (wie Schlamm und Sand) interagiert haben würde", sagt er. "Wir haben ein Auge auf biologische Fragestellungen der vorhandenen Organismen, sondern auch diejenigen, die in der Vergangenheit gelebt haben könnten. Wenn man Gazellen, Geparden-diese Tiere sind unglaublich agil über terrestrische Boden, und sie kamen von den Dingen, die kein Konzept der terrestrischen Boden hatte. "

Die Flipperbot Ergebnisse können auf andere Weise so gut wie Strategien zur Erhaltung der Meeresschildkröten zu informieren nützlich.

Sandfish Roboter

In verschiedenen Studien hat Goldman Team Muster aufgedeckt, die die Technik der Such- und Rettungsdienst Roboter entworfen, über und in Haufen von Schutt und Trümmer bewegen helfen können. Es bestätigt, zum Beispiel, was Wissenschaftler schon lange vermutet:, die gemeißelten Kopf der Sandfish — eine Eidechse in Nordafrika gefunden — hilft es unterirdisch Tauchen. Robot-Tests zeigten, dass die eckige Kopfform ziehen reduziert nicht nur sondern auch erzeugt größere heben Kräfte. Mit x-ray imaging um zu enthüllen, wie die Sandfish unter der Oberfläche bewegt, die Forscher fanden heraus, dass Raubtiere entkommen die kleine Eidechse seine Glieder in der Nähe seines Körpers steckt und durch den Sand schaukelt – sah aus wie einen echten Schwimmer. Die Sandfish setzt eine konsequente Wellenmuster von Kopf zu Endstück, das drückt seinen Körper gegen den Sand und Vorwärtsbewegung erzeugt. Dieses Wellenmuster optimiert die Geschwindigkeit und Energie verwenden.

In einer neueren Studie mit einem sechsbeinigen Roboter das Team 3D-Drucktechnologie Beine in verschiedenen Formen und physische Ausrichtung machen und erfuhr, dass konvex Roboterbeine in der Form des Buchstabens "C" am besten geklappt hat.

Entwicklung von "Terradynamics"

Es mag verlockend, die Krabbe Labor einzigartige Roboter als Ende und nicht als Mittel zur Forschung zu betrachten sein. Aber die Maschinen sind zunächst eine Art und Weise zu entwickeln und Hypothesen zu bestätigen, sagt Goldman. Das Labor, die teilweise von der National Science Foundation Physics of Living Systems und dynamischer Systeme Programme finanziert wird ist stetig Grundprinzipien identifizieren, die Verständnis wie Objekte bewegen sich auf oder in granularen Medien deutlich vorantreiben. "Die Idee ist, beginnen, eine Terradynamics zu entwickeln – gleichbedeutend mit aero- und Hydrodynamik – das ermöglicht es uns, die Mobilität der Geräte in diesen komplexen Umgebungen Vorhersagen" Goldman sagt.

Labor hat den letzten Erfolg in Terradynamics, veröffentlichen eine Papier in der Wissenschaft , die einen neuen Ansatz zur Vorhersage, wie kleinen zweibeinigen Roboter bewegen sich auf Sand oder andere rieselfähige Stoffe beschreibt. Der Ansatz verwendet die Krafteinwirkung (z. B. ziehen), unabhängige Elemente die Roboterbeine um ein Maß für die Nettokraft auf einem beweglichen Roboter (oder Tier). "Die Echse Schwimmen im Sand gibt uns ein breites Verständnis hinter alle Tiere in wahre Flüssigkeiten schwimmen", sagt Goldman. "Analyse Sandfish entpuppt sich einfach genug sein, damit wir es als Grundlage verwenden können, um zu anderen Schwimmern zu verstehen."

Welche spezifischen Studien sind weiter für das geschäftige Georgia Tech-Labor? In naher Zukunft das Team testet und theoretische Modellen zu verfeinern, wie sie für Beine und Räder stieß gelten in fließenden Material. Sie werden auch erfahren Sie mehr über den nassen Sand gegen chemische Experimente durchführen. Und drittens, sie werden uns auf die Physik beteiligt wenn Teams von Organismen, wie Feuerameisen, bewegen und in komplexem Gelände Graben.

Erfahren Sie mehr über die Krabbe Labor Forschung

Anmerkung des Herausgebers : Die Forscher in Behind the Scenes Artikel dargestellt wurden unterstützt durch die National Science Foundation , die Bundesagentur mit der Finanzierung von Grundlagenforschung und Ausbildung in allen Bereichen der Wissenschaft und Technik beauftragt. Meinungen, Erkenntnisse und Schlussfolgerungen oder Empfehlungen ausgedrückt in diesem Material sind die des Autors und spiegeln nicht unbedingt die Ansichten von der National Science Foundation. Siehe die hinter die Kulissen-Archiv.