'Crab Lab' Хвърли Светлини На Навигация По Труден Терен

{h1}

Как животните се движат в сложна среда е голям въпрос от значение за няколко области, включително роботика.

Тази статия зад сцената беше предоставена на WordsSideKick.com в партньорство с Националната научна фондация.

Физикът Даниел Голдман и неговите колеги изследователи от Технологичния институт в Джорджия хвърлят светлина върху сравнително неизследвана тема - как организми като морски костенурки и гущери се движат върху (или в рамките на) пясък. Ако някога сте се борили да ходите с дори и грация на мек, пясъчен плаж, може да оцените въпроса. Отговорите, които "CRAB лабораторията" на Goldman (Комплексна лаборатория по реология и биомеханика) разкрива - с помощта на живи животни и биологично вдъхновени роботи - задълбочава нашето разбиране не само за оцеляването на животните, еволюцията и екологията, но и, потенциално, за развитието на комплекса форми на живот на Земята. Изследванията на лабораторията също подпомагат проектирането и проектирането на роботи, които трябва да преминават по нестабилен, неравен терен - тези, използвани при операции за търсене и спасяване в местата на бедствия, например.

Голдман първо изследва свойствата на пясъка, който може да действа като твърдо вещество, течност или дори газ, когато е докторант по физика в Тексаския университет в Остин. По-късно, като постдокт в лабораторията на биолога Робърт Дж. Фулд в университета в Калифорния и Беркли (лидер в областта на вдъхновени от природата роботи), той помага да разследва локомоцията по сложен терен - катерене на хлебарки по вертикални повърхности, например, или паяци, които се движат над повърхности с малко опори. Колегата изследовател, Wyatt Korrf, се интересуваше от движение по различен вид сложен терен - гранулирани, изместващи се медии. Голдман се закачи и двамата започнаха да работят заедно. "Някои от прозренията и инструментите, които разработихме тогава, бяха невероятно полезни в ранните ми и настоящи изследвания, по-специално, кипящите се във въздуха легла като начин за контрол на земните свойства", казва Голдман.

За студент или любител на критиците работата на Голдман може да изглежда като мечта. Той е работил с голямо разнообразие от обитатели на пустини и други животни, включително гекони, зебрадови гущери, странични ветрове, раци-призраци, пясъчни риби, вятърни скорпиони, паяци за тъкачни фунии и излюпване на морски костенурки. В лабораторията и на полето той и колегите му наблюдават тези животни, докато те пълзят, пълзят, ходят, бягат, шлицуват и по друг начин се транспортират над или в гранулирана материя. Изследователите фиксират точни детайли - гъвкавите шипове на краката на паяк, които изглежда улесняват движението върху телена мрежа, или начинът, по който змията се изравнява, когато се изкачва по склона. Тогава те проектират роботи с физическите елементи и модели на движение, за които искат да знаят повече. С тези тестове, както и компютърни симулации и анализи, екипът може да разработва, оспорва и прецизира хипотези, свързани с принципите на физиката, вдъхновени от движенията на животните.

Към днешна дата актьорският състав на CRAB от символи на робот включва робот, моделиран след бебешки морски костенурки, както и робот с пясъчна рибка.

Flipperbot

Наскоро екипът изследва току-що излюпени морски костенурки, бързащи през плажа към морето - коварно пътуване, което много от нас са виждали в телевизионни предавания на природата. „Най-добрите роботи, които хората проектират и изграждат, не могат да се състезават на люпила се морска костенурка, чийто живот се състои в плуване през цялото време и използване на тези придатъци на сушата само за половин час, бягайки от гнездото. Ако женска стигне до зряла възраст тя отново ще използва плавници, разбира се, за да снася яйца “, каза Голдман. За това проучване, изследователката на CRAB, Никол Мазучова и изследователският техник Андрей Саву, пътуваха с мобилна лаборатория до остров Джекил в Джорджия. Те записват движения на люкове на плажа и в преносимо тестово легло. Анализирайки видеоклиповете в лабораторията, те видяха, че на по-натъпкан пясък бебешките костенурки използват плавниците си като твърди подпори и за въртене. На по-хлабав пясък обаче костенурките се вкопават в по-дълбоки и огъват китките си. С помощта на Flipperbot (познахте го, робот с плавници), тестово легло с маково семе, плюс теоретично моделиране от механика инженер Пол Умбанхоар от Северозападния университет (който също помогна за създаването на "бота"), екипът потвърди, че огъването на китката на костенурките им помогна да избегнат подхлъзване и поддържат телата си над пясъка, като свеждат до минимум триенето и влаченето. Моделът разкри как копаенето в по-дълбоки до повече пясък осигурява по-голяма ефективност, запазвайки субстрата да добива под крака. „Ние открихме [костенурката] за изключително чувствителна към това колко дълбоко е сложила плавниците си в земята и че се справи по-добре, когато огъва китките си“, каза Голдман. Те също така открили, че костенурките (и Flipperbot) са били сериозно възпрепятствани при опит да се движат в пясък, който вече е бил нарушен от движението.

Flipperbot - чиито движения са изненадващо грациозни - е първият робот, моделиран върху морски костенурки и тестван на гранулирани материали. Работата му някой ден може да помогне на инженерите да направят по-пъргави роботи, както и да подобрят нашето разбиране за еволюцията на Земята - особено онези първи проходилки, излезли от морето. "Има много спекулации за механиката, която позволи на ранните животни да ходят по сушата", казва Голдман. "Те имаха ръчни перки или подобни на краката и никой не знае подробно как биха взаимодействали с течащи субстрати (като кал и пясък)", казва той. "Имаме поглед върху биологичните въпроси на съществуващи организми, но и на тези, които биха могли да живеят в миналото. Ако погледнете газели, гепарди - тези животни са невероятно пъргави по земната земя и произлизат от неща, които нямат понятие за наземно. земята. "

Лабораторията на CRAB проучва как животни като тази пясъчна рибка се движат по и в пясък. Констатациите са от значение за роботиката, наред с други области на изследване

Лабораторията на CRAB проучва как животни като тази пясъчна рибка се движат по и в пясък. Констатациите са от значение за роботиката, наред с други области на изследване

Кредит: Даниел Голдман.

Констатациите на Flipperbot могат да бъдат полезни и по други начини, като например информиране на стратегиите за опазване на морските костенурки.

Робот със пясъчни рибки

В различни проучвания екипът на Goldman е разкрил модели, които могат да помогнат за инженеринг на роботи за търсене и спасяване, предназначени да се движат над и в отломки от купчини и останки. Той потвърди например нещо, което учените отдавна подозират: че изсечената глава на пясъка - гущер, открит в Северна Африка - му помага да се гмурка под земята. Тестовете на роботи показаха, че ъгловата форма на главата не само намалява влаченето, но и генерира по-големи сили на повдигане. Използвайки рентгенови снимки, за да разкрият как пясъкът се движи под повърхността, изследователите откриха, че за да избяга от хищници, малкият гущер придърпва крайниците си близо до тялото си и се извива през пясъка - изглежда като истински плувец. Пясъчната рибка използва последователен модел на вълната от главата до опашката, който изтласква тялото си към пясъка и генерира движение напред. Този модел на вълната оптимизира скоростта и използването на енергия.

В по-ново проучване, включващо робот с шест крака, екипът използва 3D технология за печат, за да направи крака с различна форма и физическа ориентация, и научи, че изпъкналите крака на робота, направени във формата на буквата "C", са работили най-добре.

Разработване на „терадинамика“

Може да е изкушаващо да разглеждаме уникалните роботи на лабораторията на CRAB като край, а не като средство за изследване. Но машините са първо начин за разработване и потвърждаване на хипотези, казва Голдман. Лабораторията, която се финансира отчасти от програмите на Националната научна фондация „Физика на живите системи и динамичните системи“, непрекъснато идентифицира основни принципи, които значително ще подобрят разбирането за това как се движат обектите върху или в гранулирани носители. "Идеята е да започнем да разработваме терадинамика - еквивалентна на аеро- и хидродинамиката - която ще ни позволи да прогнозираме мобилността на устройствата в тези сложни среди", казва Голдман.

Наскоро лабораторията има успех в терадинамиката, публикувайки документ в наука който описва нов подход за прогнозиране на това как роботите с малки крака се движат върху пясък или други течащи материали. Подходът използва силите (като влачене), приложени към независими елементи на краката на робота, за да се измери мярката сила на движещ се робот (или животно). "Гущерът, плуващ в пясък, ни дава широко разбиране зад всички животни, които плуват в истински течности", казва Голдман. „Анализирането на пясъчни рибки се оказва достатъчно просто, така че да можем да го използваме като основна линия, за да разберем другите плувци.“

Какви конкретни проучвания предстоят за натоварената лаборатория Georgia Tech? В близко бъдеще екипът ще тества и усъвършенства теоретичните модели, тъй като те се прилагат за краката и колелата, които се вкарват в течащ материал. Те също ще провеждат експерименти, за да научат повече за мокър пясък срещу сух. И трето, те ще гледат физиката, която участва, когато екипи от организми, като пожарни мравки, се движат и копаят в сложни терени.

Научете повече за лабораторните изследвания на CRAB

Бележка на редактора: Изследователите, изобразени в статиите зад сцената, са подкрепени от Национална научна фондация, федералната агенция, натоварена с финансирането на основни изследвания и образование във всички области на науката и техниката. Всички мнения, констатации и заключения или препоръки, изразени в този материал, са на автора и не отразяват непременно възгледите на Националната научна фондация. Вижте Зад архива на сцените.


Видео Добавка: .




Изследване


Ново Подаване На Суперкомпютър За Топ Научни Идеи
Ново Подаване На Суперкомпютър За Топ Научни Идеи

5 Видения, Които Показа Никола Тесла, Бяха Пред Неговото Време
5 Видения, Които Показа Никола Тесла, Бяха Пред Неговото Време

Наука Новини


Да, Вашата Диета Може Да Повиши (Или Понижи) Риска От Рак На Дебелото Черво
Да, Вашата Диета Може Да Повиши (Или Понижи) Риска От Рак На Дебелото Черво

Какво Трябва Да Се Преименува „Божията Частица“? Физиците Претеглят
Какво Трябва Да Се Преименува „Божията Частица“? Физиците Претеглят

Колко Лошо Е Пушенето Втора Употреба?
Колко Лошо Е Пушенето Втора Употреба?

Синдром На Неспокойни Крака: Симптоми И Лечение
Синдром На Неспокойни Крака: Симптоми И Лечение

Листни Кръвоносни Растения: Растенията Могат Да Намерят Земни Мини
Листни Кръвоносни Растения: Растенията Могат Да Намерят Земни Мини


BG.WordsSideKick.com
Всички Права Запазени!
Възпроизвеждането На Използваните Материали Оставя Само Prostanovkoy Активна Връзка Към Сайта BG.WordsSideKick.com

© 2005–2019 BG.WordsSideKick.com