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

Nature Communications: Совершен прорыв в создании квантовых материалов
Nature Communications: Совершен прорыв в создании квантовых материалов

Исследователи из Калифорнийского универси...

PNAS: Клеточный каркас разобрали на микроскопические пути
PNAS: Клеточный каркас разобрали на микроскопические пути

Исследователи из Принстона применили спле...

Детекторы космических лучей для TAIGA- Muon запустят в серию в ТПУ
Детекторы космических лучей для TAIGA- Muon запустят в серию в ТПУ

Ученые из Томского политехнического униве...

Physical Review Letters: Открыт материал с большим невзаимным поглощением света
Physical Review Letters: Открыт материал с большим невзаимным поглощением света

В основе глобальной интернет-связи лежит оптич...

Applied Surface Science: Открыт путь к мемристорам нового поколения
Applied Surface Science: Открыт путь к мемристорам нового поколения

Мемристорные устройства представляют собой кат...

Frontiers of Optoelectronics: Прогресс в области двумерных полупроводников
Frontiers of Optoelectronics: Прогресс в области двумерных полупроводников

Замещающее легирование чужеродными элементами ...

Angewandte Chemie: Ученые объяснили, почему металлы превращаются в стекло
Angewandte Chemie: Ученые объяснили, почему металлы превращаются в стекло

Если проникнуть глубоко-глубоко под повер...

Создан катализатор для преобразования нитратного загрязнения в аммиак
Создан катализатор для преобразования нитратного загрязнения в аммиак

Загрязнения, извергаемые бурно развивающейся м...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

Optica Quantum: Ученые разработали новый метод определения квантовых состояний
Optica Quantum: Ученые разработали новый метод определения квантовых состояний
Новая реалистичная компьютерная модель поможет роботам собирать лунную пыль
Новая реалистичная компьютерная модель поможет роботам собирать лунную пыль
С помощью GPT-4 создали видеоуроки по педиатрии для слабо обеспеченных больниц
С помощью GPT-4 создали видеоуроки по педиатрии для слабо обеспеченных больниц
Телескоп Джеймс Уэбб обнаружил следы нейтронной звезды в легендарной сверхновой
Телескоп Джеймс Уэбб обнаружил следы нейтронной звезды в легендарной сверхновой
Нервная анорексия у мужчин опасна для жизни
Нервная анорексия у мужчин опасна для жизни
Nicotine & Tobacco Research: Запрет сигарет с ментолом помогает бросить курить
Nicotine & Tobacco Research: Запрет сигарет с ментолом помогает бросить курить
Мальротацию кишечника новорожденных помогут распутать лягушачьи икринки
Мальротацию кишечника новорожденных помогут распутать лягушачьи икринки
Новое исследование роли дофамина поможет лечить болезнь Паркинсона
Новое исследование роли дофамина поможет лечить болезнь Паркинсона
Nature Comm: Младенцев с синдромом Дауна в древности почитали как особенных
Nature Comm: Младенцев с синдромом Дауна в древности почитали как особенных
Крошечную метку на замену RFID сделали еще надежнее
Крошечную метку на замену RFID сделали еще надежнее
Освоение космоса: остановить нельзя развивать
Освоение космоса: остановить нельзя развивать
Гигантские антарктические морские пауки удивили всех отношением к потомству
Гигантские антарктические морские пауки удивили всех отношением к потомству
Геномы бабочек и мотыльков практически не изменились за 250 млн лет эволюции
Геномы бабочек и мотыльков практически не изменились за 250 млн лет эволюции
Ученые намерены глубже понять жизнь на Земле благодаря имиджеомике
Ученые намерены глубже понять жизнь на Земле благодаря имиджеомике
Как выглядит работающий рекламный баннер
Как выглядит работающий рекламный баннер

Новости компаний, релизы

НАИРИТ объявит итоги Всероссийского инновационного конкурса 21 февраля
НАИРИТ объявит итоги Всероссийского инновационного конкурса 21 февраля
«Инструменты инновационного развития»
«Инструменты инновационного развития»
3 причины перехода с печатной рекламы на цифровую
3 причины перехода с печатной рекламы на цифровую
Виды резервирования серверов для задач АСУ ТП
Виды резервирования серверов для задач АСУ ТП
Выбор клиники и лечащего врача с помощью специализированного сервиса
Выбор клиники и лечащего врача с помощью специализированного сервиса