Зачем роботу челюстные сегменты?

Группа учёных во главе со Сьюзан Кокс (Suzanne Cox) из Массачусетского университета в Амхерсте (США), проведя углублённое исследование работы челюстей ротоногих, пришла к выводу, что копирование их механизмов может иметь смысл для многих устройств, используемых в тех или иных видах человеческой деятельности.

Ротоногие Gonodactylus smithii, живущие поблизости от Австралии, ранее не подвергались детальным замерам скорости работы их челюстей. Поэтому, когда коллектив г-жи Кокс закончил такие манипуляции, его ждала ошеломительная новость: этот вид — рекордсмен среди всех известных, потому что при скорости движения челюстей в 30 м/с ускорение, испытываемое ими, достигает 150 000 м/с².

Для сравнения напомним, что пуля в стволе огнестрельного оружия ускоряется в пределах 400 000–500 000 м/с², да только происходит это в воздухе, а не в принципиально более плотной водной среде, где живут ротоногие.

Слева: вращение ручки (hc) перемещает нагружающее плечо (lr) по часовой стрелке, из-за чего удерживатель (ah) движется против часовой. Это отклоняет подпружинивающую часть (bs), возвращая компонент (a) в заряженное положение. Справа: схема высвобождения накопленной энергии. (Иллюстрация S. M. Cox, et al.)

При изучении самого процесса стало ясно, что, как и у других видов, столь выдающиеся параметры движения челюстей достигаются за счёт вызываемой ими же кавитации, то есть образования пузырьков благодаря быстрому падению давления. Когда такие пузырьки сдвигаются к областям высокого давления, они быстро схлопываются, формируя ударные волны большой силы. В случае Gonodactylus smithii эти волны используются для взлома экстремально прочных раковин поедаемых моллюсков. В опытах удалось показать, что такая кавитация создаёт дыры даже в металлах, близких к челюстям ротоногого при их движении. Кроме того, кавитация нагревает близлежащие к лопающимся пузырькам объекты до 5 000 К — почти до температуры поверхности Солнца!

Как замечают исследователи, это не единственный случай использования кавитации животными. Так, бьющие хвостами киты также создают кавитацию, приводящую в состояние грогги большие косяки рыб. Да и споры грибов и отдельные насекомые тоже могут использовать кавитацию для своих целей.

Было бы здорово перенять такие навыки, не так ли? Хотя многие человеческие изобретения способны достигать ускорений, показанных ротоногими, по сути, все они используют взрывчатые вещества либо сильно сжатые и разогретые газы (как, скажем, в ДВС). И первое, и второе не всегда удобно, часто громоздко и в любом случае не может быть реализовано на регулярной основе. А вот у ротоногих челюсти вполне «многоразовые», так как создают кавитацию всякий раз, когда эти существа едят.

Механизм, придающий их челюстям ускорение, основан на запасании энергии в пружиноподобных структурах, которые перед движением сначала сжимаются, а затем резко освобождаются, как в капкане, — только намного быстрее.

Чтобы попробовать реализовать нечто подобное, учёные создали мини-робота Ninjabot. Правда, в отличие от ротоногих, он не может использовать мышцы, чтобы сжимать пружину, и вместо этого Ninjabot располагает системой коленчатых рычагов, а при высвобождении пружин применяет сдвигание удерживающего рычага в сторону. Тем не менее первый бионический блин вышел не совсем комом: Ninjabot достиг скорости движения «челюстей» в 25,9 м/с и пикового ускорения в 32 000 м/с². Считавшийся до этого рекордсменом по скорости челюстей вид ротоногих Odontodactylus scyllarus имеет скорость 21 м/с и пиковое ускорение 100 000 м/с², то есть людские творения почти подтянулись ко второму месту. Правда, не во всём: из-за несовершенства имеющихся искусственных материалов робот очень тяжёл. Его аналог челюстных сегментов имел 9 кг массы, в то время как у Gonodactylus smithii всё «укладывалось» в 400 г.

Кроме того, Ninjabot оказался рекордсменом среди всех известных бионических роботов, подражающих живым организмам. Он превзошел скорость разгибания конечностей робоблохи, имитировавшей прыжки насекомого при помощи сжатого газа, где ускорение не превышало 2 000 м/с².

Хотя Gonodactylus smithii меньше белки, кавитация от движения челюстей этого небольшого существа способна разогреть часть разгрызаемого объекта до 5 000 К, утверждают исследователи. (Фото Wikimedia Commons.)

Помимо запасания энергии для резких движений создаваемых нами роботов, интересен и собственно кавитационный механизм, позволяющий уверенно разрушать в воде довольно прочные материалы. Здесь, к сожалению, получается пока не всё: при движении челюстей Ninjabot кавитация начинается часто на меньших скоростях, чем предсказывают существующие модели; попытки воспроизвести кавитационные процессы нередко проваливаются даже при скоростях более высоких, чем у этих организмов. Более того, по идее, если челюстные сегменты ротоногих не соприкоснулись с жертвой, кавитация должна разрушать их собственные органы, чего, судя по существованию этого вида, не происходит. Учёные намерены исследовать именно эти вопросы, чтобы добиться более эффективного копирования поведения данного вида.

Отдельно авторы работы замечают, что создание специального робота как средства исследования возможностей реального организма во многом дополнило предсказания математических моделей кавитационных процессов: те же расхождения предсказанной и реальной точки начала кавитации при работе челюстей ротоногих ни одна из имеющихся на сегодня моделей спрогнозировать не смогла, что указывает на их неполноту.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Bioinspiration & Biomimetics.

Подготовлено по материалам Wired UK.