Cuando se trata de cosas que son ultrarrápidas y livianas, los robots no pueden sostener una vela contra los insectos que saltan más rápido y otras criaturas pequeñas pero poderosas.
Una nueva investigación podría ayudar a explicar por qué la naturaleza aún supera a los robots y describe cómo las máquinas podrían tomar la iniciativa.
Tome el camarón mantis, un pequeño crustáceo no mucho más grande que un pulgar. Sus piezas bucales en forma de martillo pueden dar repetidamente golpes de 69 millas por hora más de 100 veces más rápido que un abrir y cerrar de ojos para abrir un caracol duroconchas
O la sencilla hormiga trampa-mandíbula: en un enfrentamiento de cero a 60, incluso el dragster más rápido tendría pocas posibilidades contra sus mandíbulas que se rompen, que alcanzan velocidades de más de 140 millas por hora en menos de un milisegundo para atrapar supresa.
Una de las aceleraciones más rápidas conocidas en la Tierra es la picadura de la hidra. Estas criaturas acuáticas de cuerpo blando se defienden con la ayuda de cápsulas a lo largo de sus tentáculos que actúan como globos presurizados. Cuando se disparan, disparan una andanada de lanzas de veneno microscópicas que aceleran brevemente100 veces más rápido que una bala.
En un estudio que aparecerá el 27 de abril en la revista ciencia , los investigadores describen un nuevo modelo matemático que podría ayudar a explicar cómo estos y otros pequeños organismos generan sus poderosos golpes, mordiscos, saltos y golpes. El modelo también podría sugerir formas de diseñar pequeños robots inspirados en la naturaleza que se acerquen a su biologíacontrapartes en términos de potencia o velocidad.
El secreto de los movimientos explosivos de estos organismos no son los músculos poderosos, sino las partes cargadas por resorte que pueden martillar y liberar como un arco de arquero, dijo Sheila Patek, profesora asociada de biología en la Universidad de Duke.
Los tendones, cutículas y otras estructuras elásticas, resistentes pero flexibles, se estiran y liberan como tirachinas, impulsando sus saltos y broches.
Un insecto de patas cortas llamado froghopper, por ejemplo, tiene una estructura en forma de arco llamada arco pleural que actúa como un resorte. Las protuberancias en forma de pestillo en sus patas controlan su liberación, lo que les permite saltar más de 100 veces sulongitud del cuerpo a pesar de sus piernas cortas. Una persona con tanta potencia podría saltar casi dos campos de fútbol.
Sin embargo, no está claro cómo estos mecanismos funcionan juntos para mejorar el poder, dijo Mark Ilton, becario postdoctoral en la Universidad de Massachusetts Amherst.
Si bien los modelos matemáticos tradicionales de rendimiento tienen en cuenta las compensaciones físicas inherentes del músculo, que pueden contraerse de manera forzada o rápida, pero no ambas, tampoco tienen en cuenta las compensaciones inherentes a los resortes y los mecanismos de retención.En otras palabras, nada puede ser más rápido, más fuerte y más poderoso al mismo tiempo.
"Hasta ahora, estos otros componentes han sido en su mayoría en caja negra", dijo Patek.
Los investigadores desarrollaron un modelo matemático de movimiento rápido a escalas pequeñas que incorpora restricciones en resortes y pestillos.
"Parte de nuestro objetivo era tratar de desarrollar un modelo que sea igualmente generalizable a los sistemas biológicos o de ingeniería", dijo Manny Azizi, profesor asistente de ecología y biología evolutiva en la Universidad de California, Irvine, que estudia las ranas saltarinas.
Primero, compilaron datos sobre el tamaño y las velocidades y aceleraciones máximas para 104 especies de atletas de élite de plantas y animales. Compararon los datos con mediciones similares para robots en miniatura inspirados en movimientos ultrarrápidos como desplegar lenguas de camaleón, romper trampas de moscas Venus ysaltando insectos.
Al incorporar las compensaciones de rendimiento de resortes y pestillos biológicos y sintéticos, los investigadores esperan comprender mejor cómo las variables como la masa del resorte, la rigidez, la composición del material y la geometría del pestillo funcionan junto con los músculos o motores para influir en la potencia.
El modelo permite a los investigadores ingresar un conjunto de parámetros de resorte, cierre y músculo o motor y obtener detalles sobre la velocidad máxima teórica, la aceleración y otros aspectos del rendimiento de un individuo con un peso determinado.
El modelo tiene importantes implicaciones para los ingenieros. Sugiere que los robots aún no pueden superar una pulga en parte porque tales movimientos rápidos y repetibles requieren que los componentes se ajusten exquisitamente entre sí.
Pero el modelo brinda a los investigadores una herramienta para diseñar robots pequeños y de movimiento rápido con componentes más precisos que funcionan mejor juntos para mejorar el rendimiento, dijo Sarah Bergbreiter, profesora asociada de ingeniería mecánica en la Universidad de Maryland que hace que los robots saltarines seantamaño de una hormiga
"Si tiene un robot de tamaño particular que desea diseñar, por ejemplo, le permitiría explorar mejor qué tipo de resorte desea, qué tipo de motor desea, qué tipo de pestillo necesita para obtener el mejorrendimiento en esa escala de tamaño y comprender las consecuencias de esas opciones de diseño ", dijo Bergbreiter.
Para los biólogos, el modelo también se puede usar para determinar los límites de peso superior e inferior de diferentes grupos de organismos accionados por resorte, dadas variables como de qué materiales elásticos están hechos sus cuerpos, dijo Azizi.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Duke . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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