Das kleine Seepferdchen wird uns lehren, wie man bessere Roboter bauen


Es ist Hip, quadratische, bist du ein Seepferdchen zu sein – oder besser gesagt, es hat gewisse adaptive Vorteile. Zylindrische Tails kann viel populärer im Tierreich, aber das Seepferdchen bizarre Quadrat-Prisma Rute hat weit bessere mechanische Eigenschaften.

"Fast alle tierische Schwänzen haben Runde oder ovale Querschnitte – aber nicht des Seepferdchen. Wir fragten uns, warum,"sagte Clemson University Maschinenbau-Ingenieur Michael Porter. "Wir fanden, dass das Quadrat-geformte Endstücke besser wenn greifen und Rüstungen benötigt werden."

Porters Einblicke auf die Tugenden eines quadratischen Schwanzes, morgen in der Wissenschaftveröffentlicht konnten Ingenieure Design Roboter helfen, die greifen können, greifen, drehen und mechanischen Beanspruchung viel besser als ihre modernen Gegenstücke zu ertragen.

Von Affen und Nagetiere, Salamander, Schlangen und Eidechsen hat sich die zylindrische Rute über den Baum des Lebens gemacht. Aber das Seepferdchen, ein Fisch, der ein bisschen zu schwimmen, saugt schon immer ein bisschen ein Außenseiter. Das Seepferdchen Rute besteht aus 36-odd quadratischen Platten, die das Tier Wirbeltier über dicke Schichten des Bindegewebes, verringert in der Größe über die Länge der Rute beimessen. Es sieht ungefähr so aus:

Bild via Oregon State University

Porter, dessen Forschungsgruppe im Bereich der Gestaltung von neuer Strukturen basierend auf biologische Vorlagen ist, hat das Seepferdchen Heck einzigartige Geometrie seit Jahren fasziniert. Während seines Studiums Seepferdchen Skelette als Doktorand, entdeckte er, dass die Knochen nur 40 Prozent Mineral plus eine überraschend große Menge an Protein und andere organische Verbindungen bestehen. Bei Auslastungstests, erfuhr er, dass das Bindegewebe zwischen den Knochenplatten und Schweif Muskeln am meisten Druck, nahm die Wirbel unverletzt verlassen.

Um mehr über die Physik hinter das Heck fantastische mechanische Eigenschaften, Porters Team 3D-gedruckten Skelett eines Schwanzes Seepferdchen, ähnlich wie bei den hier gezeigten oben genannten Modelle. Sie druckten auch Schwänzen bestehend aus überlappenden Runden Segmente sowie zylindrische und prismatische Frack mit keine Segmente überhaupt. Jedes dieser Modelle wurde eine Reihe von Tests entwickelt, um seine Stärke und Flexibilität zu bewerten unterzogen.

Eines der wichtigsten Dinge, die Seepferdchen ihren Schwänzen für verwenden ist Seegraswiesen oder Korallen greifen. Tails zur Verankerung müssen in der Lage zu schwenken und leicht gebogen werden, ohne sich zu überdehnen. Verdrehen die verschiedenen Modell-Schwänzen, erfuhr die Forscher, dass das Quadrat verchromte Heck kehrte in seine ursprüngliche Form schneller als das Kreis-plated Tail zurück und weniger Energie verbraucht, damit. Quadratische Platten, sie entdeckt, auch gegenseitig stören beim Verdrehen das Heck insgesamt Bewegungsfreiheit zu begrenzen, um die Hälfte im Vergleich zu runden Platten. Diese Funktion könnte helfen das Seepferdchen Rückenmark vor mechanischer Beschädigung zu schützen. Quadratische Tails sind auch einfach nur griffiger, machen mehr Punkte der Kontakte mit einer Oberfläche.

Ein Quadrat vergoldet-Tail (vorne) greift Oberflächen besser als eine Runde verchromte Heck (hinten). Image via Michael Porter/Clemson University.

Ein Endstück, das Belastungen standhalten kann, ist weniger wahrscheinlich, durch einen Greifvogel Schnabel zermalmt werden. Stellt sich heraus, das Quadrat verchromte Heck auch erhält Bestnoten in Bezug auf Festigkeit. Seine Gelenke sind die genauen Standorte, die nicht als niedergeschlagen, so dass die knöchernen Platten aneinander vorbei gleiten, mehr Energie beim Aufprall zu absorbieren und fangen wieder an ihren ursprünglichen Positionen nach der Stress abgebaut wird, positioniert. Insgesamt, quadratische Schwänzen erwies sich als weniger anfällig für Verformung als, Runde, deren Formen leicht unter Druck verformt wurden.

Porter Team ist zuversichtlich, dass uns diese Erkenntnisse bauen neue und bessere Maschinen helfen könnte. "Menschliche Ingenieure neigen dazu, Dinge zu bauen, die steif sind, so dass sie leicht kontrolliert werden können", sagte Ross Hatton der Oregon State University, Co-Autor der Studie. "Aber die Natur macht die Dinge gerade stark genug, nicht zu brechen und dann flexibel genug, um eine Vielzahl von Aufgaben zu tun." Deshalb können wir viel lernen, von Tieren, die die nächsten Generationen der Robotik zu begeistern. "

Anwendungen beinhalten Robotische Geräte für Chirurgie, Industrie, Suche und Rettung oder wirklich, alles, was für eine flexible und belastbare Touch nennt. Des Himmels ist das Limit in Begriffe was wir uns vorstellen können, aber persönlich, halte ich Sie für eine autonome Klettern Arm, die ein Mensch in eine Prise verwenden können.

[UCSD News]

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Bild links oben: Seepferdchen Skelette bestehen aus hoch artikuliert Knochenplatten, die einen zentralen Wirbelsäule umgeben. Rechts: Biegen und verdrehen Leistung der Prototypen. Über Michael Porter/Clemson University/UC San Diego.

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