Centipedes, „invidia inginerilor”, inspiră o nouă generație de roboți | Ştiinţă

Una dintre cele mai înfiorătoare întâlniri pe care le-am avut vreodată a avut loc acum 25 de ani, când m-am mutat în prima mea casă. Aprinzând lumina de la baie devreme, într-o dimineață, un centipede gigantic – cu picioarele încețoșate – a alergat în sus și peste piciorul meu, fără a întrerupe pasul. Acum, chiar și vederea unuia îmi dă fiori pe șira spinării. Nu este cazul pentru Daniel Goldman, un fizician biologic la Institutul de Tehnologie din Georgia (Georgia Tech), al cărui laborator tocmai a descoperit cum aceste nevertebrate sunt atât de pricepuți să se zbată peste picioare, nisip, sol, roci și chiar apă. Mai mult decât atât, el și colegii săi au raportat luna trecută, la întâlnirea virtuală a Societății de Biologie Integrativă și Comparată, că au creat un robot centipede care ar putea într-o zi să se strecoare prin câmpurile fermierilor pentru a elimina buruienile supărătoare.

„Rezultatele lor bat [home] punctul că flexibilitatea [makes animals] capabil de o gamă largă de comportamente”, spune Jake Socha, un biomecanist comparativ la Institutul Politehnic din Virginia și Universitatea de Stat (Virginia Tech), care nu a fost implicat în lucrare. Descoperirile, adaugă el, dezvăluie principiile necunoscute anterior ale mișcării centipedelor.

Deși centipedele nu au de obicei cele 100 de picioare pentru care sunt numite, ei au adesea zeci de perechi, câte una pe segmentul corpului. Acest lucru le face lungi și în picioare și capabile de o varietate de mișcări, spune Matthew McHenry, biomecanist la Universitatea din California (UC), Irvine. Artropodele primitive au „viteză, eleganță și eficiență care sunt invidia inginerilor”, spune McHenry. În ciuda acestui fapt, intuiția noastră despre modul în care se mișcă este „deseori greșită”, spune Socha.

Goldman a fost mult timp fascinat de centipede, dar analiza mișcărilor lor a fost aproape imposibilă, deoarece au prea multe segmente ale corpului și picioare de urmărit. Interesul i-a fost stârnit atunci când postdoctoratul său, inginer electrician Yasemin Ozkan-Aydin, a descoperit valoarea de a avea numeroase segmente ale corpului și picioare. Când Ozkan-Aydin, acum om de știință în robotică la Universitatea Notre Dame, a agățat doi sau trei roboți cu patru picioare împreună, mașinile mai lungi ar putea traversa goluri mai largi și să treacă peste obstacole mai mari, chiar și afară, pe teren natural, au raportat ultima ea și colegii. an in Robotică științifică. Așa că laboratorul lui Goldman a mers „all-in” în mișcarea centipedelor.

O altă studentă, Eva Erickson, studentă în Georgia Tech, a analizat modul în care centipedele își schimbă felul în care aleargă. Multe animale, inclusiv cai și oameni, își modifică mersul – felul în care picioarele se mișcă în raport cu corpul lor – pe măsură ce își măresc viteza. Dar, folosind un program sofisticat de urmărire video numit DeepLabCut, Erikson a găsit centipedul Scolopocryptops sexspinosus în schimb își schimbă mersul pentru a se potrivi cu provocările terenului său.

În mod normal, S. sexspinususPicioarele lui se mișcă într-un val – ca degetele care bate tabăra pe o masă. Dar uneori, direcția valului se schimbă. Pe suprafețele plane, valul începe cu ultimul picior și se deplasează spre cap. Dar când situația devine grea, valul se inversează, piciorul din față mișcându-se primul pentru a stabili un punct de sprijin, a raportat Erickson la întâlnire. După aceea, fiecare picior urmează în natură, aterizează exact în același loc ca piciorul anterior. Cu cât obstacolele sunt mai înalte, cu atât este mai probabil ca centipedul să adopte această așa-numită locomoție retrogradă, a spus Erickson.

În cazul în care ajung în apă, centipedele pot, de asemenea, să „înoate” pentru a se salva. Când Kelimar Diaz, o studentă absolventă la Georgia Tech, a investigat comportamentul, și ea a descoperit că centipedele își ajustau mișcările la mediul în care trăiesc. Videoclipurile dezvăluie specia Forficatul litobiu începe să „înoate” dând din picioare. Dar apoi își răsucește rapid corpul dintr-o parte în alta, moment în care se mișcă înainte (vezi videoclipul de mai jos). „Cumva, centipedele știu că ondularea corpului lor generează forțele potrivite”, a raportat Diaz la întâlnire.

Yasemin Ozkan-Aydin/Universitatea Notre Dame

Un alt student absolvent din laborator, Baxi Chong, a analizat cum se sincronizează undele separate din picioare și din corpuri. Pentru a prezice ce combinație de unde corporale și trepte funcționează cel mai bine, am folosit o tehnică de modelare matematică propusă pentru prima dată de fizicienii particulelor. Modelul a produs numeroase combinații de unde ale picioarelor și ale corpului, pe care le-a testat apoi într-un robot centiped construit exclusiv pentru a înțelege cum se mișcă aceste animale.

Mai întâi, Chong a programat robotul să-și miște picioarele și corpul în sincronizare. Dar el a descoperit curând că robotul era mai rapid când a existat un decalaj între cele două valuri, a raportat el la întâlnire. Testele ulterioare au arătat că unele combinații au făcut robotul să se miște înapoi. Aceste experimente, spune biologul integrator de la UC Berkeley, Robert Full, au „dezvăluit secretele” coordonării centipedelor.

Lucrările ulterioare ale grupului lui Goldman au descoperit că robotul funcționează mai bine dacă picioarele sale sunt articulate și segmentele corpului sunt flexibile. „A fi moale și moale are o mulțime de avantaje atât pentru animale, cât și pentru roboți”, spune Socha. „Iar animalele care sunt lungi și slabe pot profita de combinațiile de valuri” pentru a se mișca, adaugă el.

Ultimii roboți ai lui Goldman sunt flexibili și combină stăpânirea unui gândac cu atingerea unui șarpe. Următorul pas, spune el, este să îi instruim să facă sarcini practice, cum ar fi identificarea buruienilor și eradicarea. Lucrând cu Philip Benfey, un biolog în dezvoltarea plantelor la Universitatea Duke, Goldman plănuiește să-și echipeze roboții cu software de inteligență artificială care poate identifica buruienile individuale; duo-ul își imaginează roboți care ar putea apoi să injecteze erbicid sau să folosească un laser sau o descărcare electrică pentru a-i ucide.

Și dacă Ozkan-Aydin își va face drumul, într-o zi, roiuri de centipede robotizate îi vor ajuta pe oameni cu alte sarcini: plantarea și recoltarea culturilor, mutarea mărfurilor, monitorizarea mediului și chiar explorarea spațiului. E în regulă pentru mine, atâta timp cât ei stau de pe picioarele mele.

Leave a Comment