Инженеры из США выяснили, как можно создать "блоху из Левши"
Американские математики и инженеры создали программу, которая позволяет копировать устройство ног блохи, клешней раков-богомолов и других беспозвоночных "чемпионов" по силе удара и скорости движения, говорится в статье, опубликованной в журнале Science.
"До настоящего времени мы не понимали, как работают конечности этих "суперживотных" - они, по сути, оставались "черным ящиком" для нас. Их секрет заключается в том, что их ногами и клешнями движут не мускулы, а биологические аналоги пружин, которые эти существа могут сжимать и растягивать, подобно тетиве лука", - рассказывает Шейла Патек (Sheila Patek) из университета Дьюка в Дареме (США).
Как правило, самыми сильными, зоркими и быстрыми существами на Земле, с учетом разницы в размерах, являются не млекопитающие или другие позвоночные существа, а насекомые и прочие беспозвоночные.
К примеру, муха-ктырь может за доли секунды нацеливаться на жертву с очень большого расстояния и почти гарантированно ловить ее, а морские раки-богомолы ударяют по панцирям своих жертв так же сильно как пуля, выпущенная из мелкокалиберной охотничьей винтовки. Ноги кузнечиков и цикад могут подбрасывать их на высоту, превышающую их длину в 100 раз, и перемещать их на расстояния, эквивалентные длине двух футбольных полей для существа размером с человека.
Конструкторы роботов, как рассказывает Патек, давно пытаются "позаимствовать" эти изобретения природы и создать на их основе роботов, подобных стальной блохе из "Левши" Николая Лескова. Несмотря на все усилия, все подобные проекты почти всегда проваливались, так как принципы работы ног и клешней насекомых оставались тайной для инженеров.
По словам авторов статьи, ученые достаточно давно знают, что часть конечностей этих "супер-животных" похожи по своему устройству на пружины, однако загадкой для них оставалось то, как они взаимодействуют друг с другом и что управляет их формой и размерами. Патек и ее коллеги нашли ответ на этот вопрос, создав компьютерную модель двух своеобразных "катапульт", подбрасывавших камешек в воздух.
Первая из них была похожа по своему устройству на мускулы - ее "сердцем" выступал мощный мотор, разгонявший "лапу" катапульты до высокой скорости и заставлявший груз вылетать из нее. Вторая была устроена иначе - она состояла из пружины и мотора, который удерживал ее до запуска груза, а затем отпускал. Пружина выпрямлялась и запускала камешек в воздух.
Как показали эти расчеты, подобные катапульты работали примерно с одинаковым КПД в тех случаях, если масса забрасываемого "ядра" была достаточно большой, около 5-10 грамм и более. С другой стороны, при уменьшении массы груза эффективность работы "пружинной" катапульты росла с невероятно высокой скоростью. К примеру, она разгоняла камень массой в 0,1 грамма в десятки раз лучше, чем ее "мускульная" конкурентка.
Получив подобные результаты, ученые проанализировали то, как работали биологические пружины в конечностях "супер-животных". Это помогло им вывести набор формул и параметров, которые позволяют подобрать оптимальные размеры, жесткость и другие свойства пружин, которые можно применять для создания кибернетической "блохи Левши" и прочих роботов, не уступающих беспозвоночным в умении прыгать, бить "кулаками" и быстро двигаться.
