Мягкий робот воспроизвел локомоцию жившего 450 миллионов лет назад иглокожего

Американские инженеры построили робота под названием Rhombot, имитирующего строение обитавших на морском дне около 450 миллионов лет назад иглокожих класса Rhombifera. Благодаря компьютерной симуляции и экспериментам с роботом исследователи смогли установить, что наиболее вероятный и эффективный способ передвижения ископаемых существ был связан с размашистыми движениями двигательного отростка. При этом его длина также имела значение — более длинный отросток приводит к возрастанию скорости передвижения без существенных дополнительных затрат энергии, говорится в статье опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Инженеры часто заимствуют идеи из природы, создавая устройства, имитирующие живые организмы целиком или только их отдельные органы, этот подход называют биомиметикой или бионикой. Зачастую он позволяет не только получить более эффективные устройства, но и улучшить наше понимание того, как устроены и функционируют живые организмы. К примеру, австралийские ученые, изучавшие механику движения робоящерицы по стене и сравнивали ее с движениями нескольких живых особей, выяснили важность угла поворота ступней ног для перемещения этих животных по вертикальным поверхностям. А швейцарские инженеры с помощью роботизированной модели водоплавающей миноги смогли прояснить детали взаимной работы центральной и периферической нервной системы и их влияние на локомоцию подводных животных.

Особую важность бионический подход приобретает, когда речь заходит о вымерших животных. Основываясь на найденных окаменелостях, можно попытаться смоделировать особенности строения и движения древних организмов, реконструировав их с помощью робототехники. Филипп ЛеДюк (Philip LeDuc) и Кармел Маджиди (Carmel Majidi) из Университета Карнеги — Меллона с коллегами использовали такой подход для изучения биомеханических особенностей движения плевроцистит (Pleurocystites) — древних представителей иглокожих ныне полностью вымершего класса Rhombifera, которые обитали на морском дне в палеозойскую эру около 450 миллионов лет назад. Для этого они разработали робота из мягких материалов, под названием Rhombot, который имитирует строение и двигательные возможности вымершего иглокожего.

Это были одни из первых способных к самостоятельному перемещению иглокожих, которые могли ползать по дну за счет движений мышечного стебля — подвижного двигательного отростка, отходящего от центральной части организма. При этом с противоположной стороны располагались два отростка меньшей длины, которые использовались для питания. Несмотря на сохранившиеся окаменелости, по которым можно получить представление о строении ископаемого существа, на сегодняшний день нет окончательного понимания того, как именно выглядела его локомоция. В том числе, например, было не до конца понятно, в какую сторону животное предпочитало двигаться.

Чтобы определить возможные способы передвижения, исследователи сперва выполнили компьютерное моделирование, считая, что перемещение происходит параллельно оси мышечного стебля. Моделирование показало, что наиболее эффективным для существа с таким строением было бы движение за счет широких взмахов хвостовым отростком из стороны в сторону, вместо осциллирующих движений с небольшой амплитудой. При этом движение с большой долей вероятности происходит в направлении более короткой пары отростков. После этого инженеры протестировали полученные результаты на роботах Rhombot, оснащенных отростками из эластомеров разной жесткости и длины. С наибольшим из них Rhombot массой 161 грамм имеет суммарную длину 41,7 сантиметра.

Все отростки робота выполнены из мягких эластомеров, а центральная часть — из пластика с помощью 3D-печати. В движение хвост робота приводится за счет двух встроенных в эластичный материал актуаторов. Они изготовлены в виде спиралей из сплава с памятью формы, который претерпевает фазовое превращение при изменении температуры. Сокращение таких мышц из-за нагрева при приложении к ним электрического тока, приводит к движению отростка в ту или другую сторону. Корпус робота герметичен, чтобы защитить электронные компоненты от воздействия воды во время экспериментов на дне аквариума, который использовался в качестве тестовой площадки.

Эксперименты с прототипами Rhombot с разной длиной и жесткостью хвоста на поверхностях разного типа, включая песок, показали, что при увеличении длины двигательного отростка с 16 до 21 сантиметра скорость передвижения возрастает с 2,5 до 12 сантиметров в минуту. Этот результат свидетельствует в пользу преимущества особей с более длинными двигательными отростками. И действительно, у некоторых наиболее крупных ископаемых особей соотношение длины отростка к длине тела могло достигать троекратной величины. Кроме того, по словам авторов, самые геологически поздние (девонские) из сохранившихся окаменелостей обладали несколько более длинными двигательными отростками, что может свидетельствовать об эволюции в этом направлении.

Иногда инженеры, разрабатывающие роботов, заимствуют не только строение живых существ, но и особенности их поведения. Например, швейцарские инженеры разработали для четвероногого робота на колесах алгоритм управления, основанный на внутренней мотивацией и любопытстве. С его помощью робособака на колесах самостоятельно научилась открывать запертую дверь, и выбрасывать лежащую на столе коробку в контейнер.