26/08/2021
Door Ad Spijkers
Onderzoekers hebben een robot gebouwd die de supersnelle slag van de mantisgarnaal nabootst.
De mantisgarnaal behoort tot de hogere kreeftachtigen. Het dier heeft een afgeplat, buigzaam lichaam en samengestelde steeltjesogen. Het heeft een sterk ontwikkeld tweede paar kaakpoten, te vergelijken met de voorpoten van een bidsprinkhaan. Deze poten versnellen sneller dan een kogel uit een geweer. Slechts één slag kan de arm van een krab afslaan of door een slakkenhuis breken. Van deze kleine schaaldieren is bekend dat ze het opnemen tegen inktvissen en winnen. Ze hebben de sterkste stoot van elk wezen in het dierenrijk.
Hoe deze garnalen deze dodelijke ultrasnelle bewegingen produceren, fascineert biologen al lang. Recente ontwikkelingen in high speed beeldvorming maken het mogelijk om deze bewegingen te zien en te meten, maar sommige mechanica zijn niet goed begrepen. Een interdisciplinair team van robotici, ingenieurs en biologen van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) heeft de mechanica van de slag van de mantisgarnaal gemodelleerd en een robot gebouwd die de beweging nabootst. Het onderzoek werpt licht op de biologie van deze strijdlustige kreeftachtigen en maakt de weg vrij voor kleine maar sterke robotica.
Modellering
Gedragingen in de natuur maken de wetenschap nieuwsgierig, zeker wanneer gedrag overeenkomt met of groter is dan wat kan worden bereikt met door de mens gemaakte apparaten. De snelheid en kracht van aanvallen van mantisgarnalen bijvoorbeeld zijn het resultaat van een complex onderliggend mechanisme. Door een robotmodel te construeren van een kaakpoot van een mantisgarnaal konden de onderzoekers deze mechanismen gedetailleerd bestuderen.
Veel kleine organismen - waaronder kikkers, kameleons en sommige planten - produceren ultrasnelle bewegingen. Dit doen ze door elastische energie op te slaan en deze snel vrij te geven via een vergrendelingsmechanisme, zoals een muizenval. Bij mantisgarnalen fungeren twee kleine structuren ingebed in de pezen van de spieren (sklerieten genaamd) als de grendel van de kaakpoot. In een veerbelast mechanisme zou de veer onmiddellijk de opgeslagen energie vrijgeven zodra de vergrendeling is verwijderd. Maar wanneer de sklerieten worden ontgrendeld, is er een korte maar merkbare vertraging.
Op een ultrasnelle camera bleek een tijdsvertraging op te treden tussen het moment waarop de sklerieten loskomen en de kaakpoot uitschiet. Er is duidelijk een ander mechanisme dat de kaakpoot op zijn plaats houdt, maar niemand heeft analytisch kunnen begrijpen hoe het andere mechanisme werkt. Het is bekend dat mantisgarnalen geen speciale spieren hebben in vergelijking met andere schaaldieren. Maar als het niet hun spieren zijn die de snelle bewegingen maken, moet er een ander mechanisme zijn dat de hoge versnellingen produceert.
Van garnaal naar robot
Biologen hebben de hypothese geopperd dat, terwijl de sklerieten het ontgrendelen initiëren, de geometrie van de kaakpoot zelf fungeert als een secundaire grendel die de beweging van de arm regelt terwijl deze energie blijft opslaan. Deze theorie is echter niet getest. Het onderzoeksteam testte deze hypothese eerst door de koppelingsmechanica van het systeem te bestuderen en vervolgens een fysiek robotmodel te bouwen.
Toen ze de robot eenmaal hadden, kon het team een wiskundig model van de beweging ontwikkelen. De onderzoekers brachten vier verschillende fasen van de aanval van de mantisgarnaal in kaart, beginnend met de vergrendelde sklerieten en eindigend met de daadwerkelijke aanval van de kaakpoot. Ze ontdekten datna het ontgrendelen van de sklerieten de geometrie van het mechanisme het overneemt. De houdt de kaakpoot op zijn plaats totdat het een bepaald punt bereikt en vervolgens de grendel loslaat.
Dit proces regelt het vrijkomen van opgeslagen elastische energie en verbetert de mechanische kracht van het systeem. Het geometrische vergrendelingsproces onthult hoe organismen extreem hoge versnellingen genereren in deze bewegingen van korte duur, zoals stoten.
De onderzoekers bootsten dit proces na in een robot van 1,5 gram op garnalenschaal. Hoewel de robot niet de snelheid bereikte van een aanval van een mantisgarnaal, klokte de snelheid af op 26 m/s in de lucht. Dit komt overeen met een versnelling die een auto die in 4 ms 93 km/u bereikt. Daarmee is de robot tot nu toe sneller dan alle vergelijkbare apparaten op dezelfde schaalgrootte.
Foto: Second Bay Studios en Roy Caldwell/Harvard SEAS