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

В MIT разрабатывают бытовых роботов, наделенных здравым смыслом
В MIT разрабатывают бытовых роботов, наделенных здравым смыслом

С помощью большой языковой модели инженеры Мас...

Nature Communications: Открыто революционное явление в жидких кристаллах
Nature Communications: Открыто революционное явление в жидких кристаллах

Исследовательская группа, работающая в UN...

Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий
Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий

Когда речь заходит о сверхпроводящих куби...

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 ...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

EHJ-DH: Инструмент на основе ИИ успешно предсказывает фатальный сердечный ритм
EHJ-DH: Инструмент на основе ИИ успешно предсказывает фатальный сердечный ритм
Frontiers in Allergy: Собаки способны учуять стресс по запаху дыхания человека
Frontiers in Allergy: Собаки способны учуять стресс по запаху дыхания человека
Chem: Имплантируемые батареи могут работать на собственном кислороде организма
Chem: Имплантируемые батареи могут работать на собственном кислороде организма
NREE: Виноградари всего мира бьют тревогу из-за изменения климата
NREE: Виноградари всего мира бьют тревогу из-за изменения климата
Current Biology: У бенгальских кошек в ДНК лишь несколько процентов от леопарда
Current Biology: У бенгальских кошек в ДНК лишь несколько процентов от леопарда
В MIT разрабатывают бытовых роботов, наделенных здравым смыслом
В MIT разрабатывают бытовых роботов, наделенных здравым смыслом
В двумерных сверхпроводниках открыта незаметная квантовая критическая точка
В двумерных сверхпроводниках открыта незаметная квантовая критическая точка
Ученые предложили способ узнать, когда именно появляется сознание у младенцев
Ученые предложили способ узнать, когда именно появляется сознание у младенцев
Рост эффективности бифункциональных катализаторов удешевит производства водорода
Рост эффективности бифункциональных катализаторов удешевит производства водорода
Воздействие табака до рождения повышает риск развития диабета 2 типа у взрослых
Воздействие табака до рождения повышает риск развития диабета 2 типа у взрослых
Science: Облик будущих партнеров запечатлен у бабочек Heliconius в генах
Science: Облик будущих партнеров запечатлен у бабочек Heliconius в генах
NMI: Создана модель ИИ для разработки новых антибиотиков против супербактерий
NMI: Создана модель ИИ для разработки новых антибиотиков против супербактерий
Низкий социальный статус повышает риск проблем со здоровьем из-за алкоголизма
Низкий социальный статус повышает риск проблем со здоровьем из-за алкоголизма
2-фотонная фотоэмиссионная спектроскопия помогла понять поведение электронов
2-фотонная фотоэмиссионная спектроскопия помогла понять поведение электронов
BioDesign Research: Для производства каротиноидов разработали специальные дрожжи
BioDesign Research: Для производства каротиноидов разработали специальные дрожжи

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