Le robot imite le puissant coup de poing de la crevette mante

Le robot imite le puissant coup de poing de la crevette mante

Une équipe interdisciplinaire de roboticiens, d’ingénieurs et de biologistes a modélisé la mécanique du coup de poing de la crevette-mante et construit un robot qui imite le mouvement. Crédit : Second Bay Studios et Roy Caldwell/Harvard SEAS)

Les crevettes Mantis sont les plus puissantes de toutes les créatures du règne animal. Leurs appendices en forme de massue accélèrent plus vite qu’une balle d’arme à feu et un seul coup peut faire tomber le bras d’un crabe ou percer une coquille d’escargot. Ces crustacés petits mais puissants sont connus pour affronter le poulpe et gagner.

La façon dont les crevettes-mantes produisent ces mouvements mortels et ultra-rapides a longtemps fasciné les biologistes. Les progrès récents de l’imagerie à grande vitesse permettent de voir et de mesurer ces impacts, mais certains mécanismes n’ont pas été bien compris.

Aujourd’hui, une équipe interdisciplinaire de roboticiens, d’ingénieurs et de biologistes a modélisé la mécanique du poinçon de la crevette mante et construit un robot qui imite le mouvement. La recherche met en lumière la biologie de ces crustacés pugnaces et ouvre la voie à des dispositifs robotiques petits mais puissants.

La recherche est publiée dans le Actes de l’Académie nationale des sciences.

« Nous sommes fascinés par tant de comportements remarquables que nous voyons dans la nature, en particulier lorsque ces comportements atteignent ou dépassent ce qui peut être atteint par des appareils fabriqués par l’homme », a déclaré Robert Wood, professeur Harry Lewis et Marlyn McGrath d’ingénierie et de sciences appliquées à la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) et auteur principal de l’article. « La vitesse et la force des frappes de crevettes-mantes, par exemple, sont la conséquence d’un mécanisme sous-jacent complexe. En construisant un modèle robotique d’un appendice de frappe de crevettes-mantes, nous sommes en mesure d’étudier ces mécanismes avec des détails sans précédent. »






De nombreux petits organismes, y compris les grenouilles, les caméléons et même certains types de plantes, produisent des mouvements ultra-rapides en stockant de l’énergie élastique et en la libérant rapidement grâce à un mécanisme de verrouillage, comme un piège à souris. Chez la crevette-mante, deux petites structures intégrées dans les tendons des muscles appelées sclérites agissent comme le verrou de l’appendice. Dans un mécanisme à ressort typique, une fois le loquet physique retiré, le ressort libère immédiatement l’énergie stockée.

Mais lorsque les sclérites se déverrouillent dans un appendice de crevette-mante, il y a un délai court mais notable.

« Lorsque vous regardez le processus de frappe sur une caméra ultra-rapide, il y a un délai entre le moment où les sclérites se libèrent et l’appendice se déclenche », a déclaré Nak-seung Hyun, chercheur postdoctoral à SEAS et co-premier auteur de le papier. « C’est comme si une souris déclenchait un piège à souris mais au lieu qu’il s’enclenche tout de suite, il y a eu un délai notable avant qu’il ne s’enclenche. Il y a évidemment un autre mécanisme maintenant l’appendice en place, mais personne n’a été capable de comprendre analytiquement comment le autre mécanisme fonctionne. »

« Nous savons que les crevettes mantis n’ont pas de muscles spéciaux par rapport aux autres crustacés, donc la question est, si ce ne sont pas leurs muscles qui créent les mouvements rapides, alors il doit y avoir un mécanisme mécanique qui produit les accélérations élevées », a déclaré Emma Steinhardt, un étudiant diplômé à SEAS et premier auteur de l’article.

Les biologistes ont émis l’hypothèse que, tandis que les sclérites initient le déverrouillage, la géométrie de l’appendice lui-même agit comme un verrou secondaire, contrôlant le mouvement du bras tout en continuant à stocker de l’énergie. Mais cette théorie n’avait pas été testée.

Le robot imite le puissant coup de poing de la crevette mante

Cette image montre la frappe d’un robot de 1,5 gramme à l’échelle d’une crevette. Crédit : Greg Freeburn et Emma Steinhardt/Harvard SEAS

L’équipe de recherche a d’abord testé cette hypothèse en étudiant la mécanique de liaison du système, puis en construisant un modèle physique robotique. Une fois qu’ils ont eu le robot, l’équipe a pu développer un modèle mathématique du mouvement. Les chercheurs ont cartographié quatre phases distinctes de la frappe de la mante, en commençant par les sclérites verrouillés et se terminant par la frappe réelle de l’appendice. Ils ont constaté qu’en effet, après le déverrouillage des sclérites, la géométrie du mécanisme prend le relais, maintenant l’appendice en place jusqu’à ce qu’il atteigne un point de sur-centrage, puis le loquet se libère.

« Ce processus contrôle la libération de l’énergie élastique stockée et améliore réellement la sortie mécanique du système », a déclaré Steinhardt. « Le processus de verrouillage géométrique révèle comment les organismes génèrent une accélération extrêmement élevée dans ces mouvements de courte durée, comme les coups de poing. »

Les chercheurs ont imité ce processus dans un robot à l’échelle d’une crevette de 1,5 gramme. Alors que le robot n’a pas atteint la vitesse d’une attaque de crevette-mante, sa vitesse a atteint 26 mètres par seconde dans l’air, avec une accélération équivalente à celle d’une voiture atteignant 58 mph en quatre millisecondes. L’appareil est plus rapide que tout autre appareil similaire à la même échelle à ce jour.

« Cette étude illustre comment les collaborations interdisciplinaires peuvent générer des découvertes dans de multiples domaines », a déclaré la co-auteur Sheila Patek, professeure de biologie à l’Université Duke. « Le processus de construction d’un modèle physique et de développement du modèle mathématique nous a amenés à revoir notre compréhension de la mécanique des impacts de crevettes-mantes et, plus largement, à découvrir comment les organismes et les systèmes synthétiques peuvent utiliser la géométrie pour contrôler un flux d’énergie extrême lors de mouvements répétés ultra-rapides. -utilisation, mouvements. »

Cette approche consistant à combiner des modèles physiques et analytiques pourrait aider les biologistes à comprendre et les roboticiens à imiter certains des autres exploits extraordinaires de la nature, tels que la façon dont les fourmis à mâchoires pièges brisent leurs mâchoires si rapidement ou comment les grenouilles se propulsent si haut.


Les bébés crevettes mantis ne tirent pas leur épingle du jeu


Plus d’information:
Emma Steinhardt et al, Un modèle physique de crevette-mante pour explorer la dynamique des systèmes ultrarapides, Actes de l’Académie nationale des sciences (2021). DOI : 10.1073/pnas.2026833118

Fourni par Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences

Citation: Le robot imite le puissant coup de poing de la crevette mante (2021, 25 août) récupéré le 25 août 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-08-robot-mimics-powerful-mantis-shrimp.html

Ce document est soumis au droit d’auteur. En dehors de toute utilisation équitable à des fins d’étude ou de recherche privée, aucune partie ne peut être reproduite sans l’autorisation écrite. Le contenu est fourni seulement pour information.