Исследователи частично разгадали биомеханические секреты спрутов

Щупальца осьминога обладают почти бесконечным количеством степеней свободы для выполнения сложных движений, таких как дотягивание, хватание, ловля, ползание и плавание.

Как эти животные умудряются действовать столь разнообразно, остается источником загадок, удивления и вдохновения. Отчасти эта загадка связана со сложной организацией и биомеханикой внутренних мышц.

Решение этой проблемы было найдено в междисциплинарном проекте под руководством Прашанта Мехты и Маттиа Газзолы, профессоров механической науки и инженерии в Университете Иллинойса Урбана-Шампейн. Как сообщается в журнале Proceedings of the Royal Society A, эти два исследователя и их группы разработали физиологически точную модель мышц конечности осьминога.

Наша модель, первая в своем роде, не только обеспечивает понимание биологической проблематики, но и создает основу для проектирования и управления мягкими роботами в будущем, — заявил Мехта.

Впечатляющие возможности щупалец осьминога уже давно вдохновляют на создание и управление мягкими роботами. Такие мягкие роботы способны выполнять сложные задачи в неструктурированных средах и при этом безопасно работать рядом с человеком, что может найти применение в самых разных областях — от сельского хозяйства до хирургии.

Аспирант Хенг-Шенг Чанг, ведущий автор исследования, объяснил, что такие мягкотелые системы, как щупальца осьминогов, представляют собой серьезную проблему для моделирования и управления.

Они приводятся в движение тремя основными внутренними группами мышц — продольной, поперечной и косой, которые заставляют конечность деформироваться в нескольких режимах — сдвига, разгибания, сгибания и скручивания, — сказал он. — Это дает мягким щупальцам значительную свободу, в отличие от их жестких биологических аналогов.

Ключевой идеей команды было представить мускулатуру щупальца с помощью функции накопленной энергии — концепции, заимствованной из теории механики сплошной среды. Постдокторант и соответствующий автор Удит Халдер пояснил:

Щупальце покоится на минимуме энергетического ландшафта. Мышечные сокращения изменяют функцию накопленной энергии, тем самым смещая равновесное положение конечности и направляя движение.

Интерпретация работы мышц с использованием запасенной энергии значительно упрощает конструкцию управления щупальцем. В частности, в исследовании описывается методология управления с использованием энергии для вычисления необходимых мышечных активаций для решения задач манипуляции, таких как дотягивание и хватание.

Когда ученые отразили этот подход численно в программной среде Elastica, модель привела к удивительно реалистичным движениям в трех измерениях. Более того, по словам Халдера, «наша работа предлагает математические гарантии производительности, которые часто отсутствуют в альтернативных подходах, включая машинное обучение».

Наша работа является частью большой экосистемы постоянного сотрудничества в Иллинойском университете, — заключил Мехта.

— Выше по течению находятся биологи, которые проводят эксперименты на живых осьминогах. Ниже по течению — робототехники, которые берут эти математические идеи и применяют их к реальным мягким роботам.

26.02.2023


Подписаться в Telegram



Хайтек

AEM: Гибридный полупроводник позволит лучше понять спинтронику
AEM: Гибридный полупроводник позволит лучше понять спинтронику

Электроны вращаются без электрического за...

Томские ученые представили цифровое решение для оптимизации НПЗ
Томские ученые представили цифровое решение для оптимизации НПЗ

Новый программный комплекс представили ученые ...

В НГУ разработали первые фильтры для технологии связи 6G
В НГУ разработали первые фильтры для технологии связи 6G

Уникальные фильтры для импульсной терагер...

Ученые КФУ выяснили, как дефекты в полупроводниках влияют на свет
Ученые КФУ выяснили, как дефекты в полупроводниках влияют на свет

Физическая модель, которая описывает взаимодей...

Новый метод синтеза лекарств открыли российские химики
Новый метод синтеза лекарств открыли российские химики

Новый метод синтеза производных пирролизидина ...

Advanced Materials: Созданы волокна в одежду для питания смартфона от тепла тела
Advanced Materials: Созданы волокна в одежду для питания смартфона от тепла тела

Термоэлектрический материал, который можно исп...

В Томском университете создали интегральные схемы для российских РЛС
В Томском университете создали интегральные схемы для российских РЛС

Первый российский комплект интегральных схем д...

Physical Review C: Синтезирован новый изотоп плутония
Physical Review C: Синтезирован новый изотоп плутония

Физики из Китая выяснили, что период...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

Российские ученые предложили использовать вирус растений для лечения саркомы
Российские ученые предложили использовать вирус растений для лечения саркомы
Menopause: Ученые заподозрили роль эстрогена в развитии астмы
Menopause: Ученые заподозрили роль эстрогена в развитии астмы
AEM: Гибридный полупроводник позволит лучше понять спинтронику
AEM: Гибридный полупроводник позволит лучше понять спинтронику
FCoSc: Гигантские крысы поборются с незаконной торговлей дикими животными
FCoSc: Гигантские крысы поборются с незаконной торговлей дикими животными
В России разработали искусственные кости и новые методы лечения позвоночника
В России разработали искусственные кости и новые методы лечения позвоночника
TE&E: Животные потребляют алкоголь чаще, чем мы думаем
TE&E: Животные потребляют алкоголь чаще, чем мы думаем
Волнообразные упражнения со штангой: польза или вред
Волнообразные упражнения со штангой: польза или вред
JA&FC: Сорго обогащает рацион питания биоактивными соединениями
JA&FC: Сорго обогащает рацион питания биоактивными соединениями
Nature Communications: Жизнь все-таки можно повернуть назад
Nature Communications: Жизнь все-таки можно повернуть назад
МАИ: Дроны-дефектоскописты уступают человеку в точности, зато берут скоростью
МАИ: Дроны-дефектоскописты уступают человеку в точности, зато берут скоростью
EBioMedicine: Создан инструмент для выявления сепсиса у новорожденных
EBioMedicine: Создан инструмент для выявления сепсиса у новорожденных
Численное моделирование повысит эффективность 3D-печати из стали 316LSi
Численное моделирование повысит эффективность 3D-печати из стали 316LSi
Создан особо пластичный алюминиевый сплав для высокотехнологичных отраслей
Создан особо пластичный алюминиевый сплав для высокотехнологичных отраслей
Влияние цвета в архитектуре на самоконтроль человека: мнение эксперта МХПИ
Влияние цвета в архитектуре на самоконтроль человека: мнение эксперта МХПИ
Томские ученые представили цифровое решение для оптимизации НПЗ
Томские ученые представили цифровое решение для оптимизации НПЗ

Новости компаний, релизы

Международные эксперты оценили разработанную для нижегородского завода технологию
Регистрация сми на IV конгресс молодых ученых продлевается до 6 ноября
Фестиваль научных театров «Наука всем!» прошёл в Санкт-Петербурге
На старт! Внимание! MITEX!
Пироговская олимпиада для школьников по химии и биологии