НОВИНИ


ЗАЩО Е ТОЛКОВА ТРУДНО ДА СМАЖЕШ ХЛЕБАРКА?
11.02.2016


Насекомите, независимо дали пълзят или летят, в живота си са подложени на чести удари. Почти на всеки му се е случвало да настъпи хлебарка, след което като си вдигне обувката да види как съществото се изравя и се шмугва под вратата.
 
Пчелите и осите, от своя страна, непрекъснато се сблъскват с препятствия по пътя си, като листа, стебла и цветове - земните пчели удрят своите криле в различни препятствия до един път в секунда. Сега учените се опитват да разберат как тези животни издържат всички тези удари. Резултатите не само обясняват защо хлебарките са толкова трудни за убиване. Чрез имитиране на комбинацията от твърди и еластични части, които осигуряват здравината на екзоскелетите и крилата на насекомите, експертите по биомеханика могат да започнат да създават по-здрави роботи. "Огъват се, но не се чупят. Това се случва при голяма част от тези насекоми," коментира Робърт Ууд (Robert Wood) специалист по роботика в Харвардския университет . "Ние се опитваме да направим същото, за да видим дали може да възпроизведем същата устойчивост и при нашите роботи." Доскоро, разработките на повечето инженери са били твърди и малко дървени, като при това произведените от тях устройства били достатъчно здрави и подвижни, само колкото да не представляват опасност. Модерните автомобили обаче включват един нов подход: те абсорбират удари като се мачкат, при което се жертва структурата на колата, за да се защитят пътниците. "Природата използва друга тактика, която ние нямаме," обяснява Дейвид Ху (David Hu), машинен инженер към Технологичния Институт на Джорджия в Атланта. "Живите същества се мачкат... но след това си продължават." За да изяснят как постигат това хлебарките, Робърт Фул (Robert Full) специалист по интегративна биология към Калифорнийския университет в Бъркли и докторантът му Каушик Джаярам (Kaushik Jayaram) принудили насекомите да преминават през прогресивно намаляващи отвори или през по-широки тунели, докато ги заснемали с високоскоростна видео камера. Освен това те нанасяли удари с предмети с тегло до 100г. върху различни части от телата на насекомите и наблюдавали как съществата поемали удара. Фул и Джаярам открили, че когато високата 9 мм Periplaneta americana приближавала отвор с височина не повече от 3 мм, хлебарката първо изследвала отвора със своите антени. След това си провирала главата през него, следвана от предните крака, след което тя започвала да изтегля и останалата част от тялото си през отвора. Задните крака оставали отвън, но продължавали да бутат. За около 1 секунда, хлебарката се появявала от другата страна без видими поражения. Способността на хлебарките да се провират през тесни отвори "надминава тази на което и да е друго животно, което сме изследвали, освен може би на октопода," коментира Сейси Комбс (Stacey Combes), биолог от Калифорнийския университет. Но октопода - модел за някой от "меките" роботи, които някои разработчици се стремят да направят - не може да се конкурира с бързината на хлебарката и на другите членестоноги. "Не само насекомите, но и раците, паяците и скорпионите са изключително добри в достигането навсякъде и при това те са почти неразрушими," разказва Фул.
 

Графика показваща процеса на преминаване на хлебарка през тесен отвор като функция на размера на отвора (по ординатата) спрямо времето което отнема на животното да премине (по абсцисата). Показани са съответно продължителността на всеки от етапите на преминаването - обследване, провиране на главата, преминаване на предните крака, преминаване на торакса и преминаване на коремчето.

Изследването на Фул и Джаярам, публикувано тази седмица в Proceedings of the National Academy of Sciences, показало че тайната на хлебарката е скрита в твърдия, но все пак гъвкав екзоскелет. Той се състои от твърди, но все пак сгъваеми плочици - те могат ефективно да предават енергията към краката - свързани с помощта на еластични мембрани, които позволяват на плочиците да се приплъзват една спрямо друга, докато насекомото се компресира, за да се промуши от някъде. Благодарение на израстъци, които осигуряват достатъчно триене, когато краката са разперени, хлебарката може да се отърве невредима дори при сериозно смачкване.

На среща на Организацията по интегративна и сравнителна биология, проведена миналия месец в Портланд, щата Орегон, постдокторантът Андрю Маунткасъл (Andrew Mountcastle) докладвал, че сходно комбиниране на твърди и меки части позволява на пчели и оси да оцеляват по своите изпълнени с препятствия въздушни пътища. С помощта на високоскоростна камера, той установил, че крилата на осите се огъват при удари и след това се изпъват отново до оригиналната си форма. Той забелязал също, че крилете съдържат голям участък от еластичен протеин, наречен резилин, разположено на около 65% от дължината на крилото. Той и Комбс изказали хипотезата, че този участък служи като еластична връзка (става, шарнир).

За да тества идеята, Маунткасъл разработил метод за фиксиране на оса на ротационен мотор и започнал да нанася последователни удари на крилото. "Той показал, че крилото многократно възвръща формата си," коментира резултатите на колегата си Ху. Когато Маунткасъл шинирал гъвкавия участък, така че крилото да не може да се огъва, крилото много бързо се повредило. Той и Комбс също открили, че много насекоми имат сходни шарнирни участъци, но крилете на земните пчели използвали напълно различен структурен дизайн. Жилките, които поддържат крилата на пчелата са концентрирани в близост до тялото, при което се получава изключително гъвкав връх на крилото, който може да отскача от препятствия с много малко износване. "Това е друг подход за справяне със същия проблем," твърди Маунткасъл.
 

Устройство на шарнирните участъци богати на еластичния протеин резилин по крилата на оси (отбелязани със жълти точки) и поставновка за тестване на износването им (D)

Както екзоскелетът на хлебарката, така и крилата на насекомите вдъхновяват иновации в структурата на роботите. Джаярам е сглобил робот с височина 75мм, наречен CRAM, със сгъващ се екзоскелет подобен на този на хлебарката и крачета с израстъци, които действат както в компресирано, така и в некомпресирано положение. Той може да се промуши през отвори наполовина на височината му и все пак да се движи 5 до 10 пъти по-бързо от меките роботи, твърди Джаярам.

Съставни части на робота CRAM, вдъхновен от устройството на екзоскелета на хлебарка

"Вълнуващото е, че това ни дава един порядък понижение в размера на пролуките, през които могат да преминават роботите ни." коментира Робин Мърфи (Robin Murphy) от Texas A&M University, който специализира в роботи за спасителни и издирвателни операции при бедствия и аварии.

Маунткасъл е обединил усилията си с Джаярам - който сега също е постдокторант в Харвард - и Ууд, за да се опитат да адаптират гъвкавите крила при летящ робот с размер на насекомо, наречен Robobee. "Дизайнът на подобно крило никак не е прост. Не става дума за прости прави шарнири," е заявил Маунткасъл на срещата в Портланд. Учените се надяват да започнат реалните тестове на новия дизайн през пролетта.

"Ще бъде страхотно да видим повече роботи изградени така, че да са устойчиви на поражения." А що се отнася до убиването на хлебарки - Джаярам препоръчва да удряме по-силно с чехъла и да го държим пристиснат!
 
източник: nauka.offnews.bg

 


 
626087