'Crab Lab' Werpt Licht Op Het Navigeren Op Lastig Terrein

{h1}

Hoe dieren bewegen in complexe omgevingen is een grote vraag met relevantie voor verschillende gebieden, waaronder robotica.

Dit artikel achter de schermen werd aan WordsSideKick.com gegeven in samenwerking met de National Science Foundation.

Natuurkundige Daniel Goldman en zijn collega-onderzoekers van het Georgia Institute of Technology werpen licht op een relatief onontgonnen onderwerp - hoe organismen zoals zeeschildpadden en hagedissen verder (of in het zand) bewegen. Als je ooit moeite hebt gehad om met zelfs een beetje genade op een zacht zandstrand te lopen, kun je de vraag waarderen. De antwoorden die Goldman's "CRAB-lab" (Complex Rheology and Biomechanics Laboratory) blootlegt - met de hulp van levende dieren en biologisch geïnspireerde robots - verdiepen ons begrip, niet alleen van het overleven van dieren, evolutie en ecologie, maar ook, potentieel, de evolutie van complexe levensvormen op aarde. Het onderzoek van het lab helpt ook bij het ontwerp en de engineering van robots die onstabiel, oneffen terrein moeten doorkruisen, bijvoorbeeld bij zoek- en reddingsoperaties op rampenstelsels.

Goldman onderzocht eerst de eigenschappen van zand, dat kan werken als een vast, vloeibaar of zelfs een gas, toen hij een doctoraalstudent fysica was aan de Universiteit van Texas in Austin. Later, als postdoc in het laboratorium van bioloog Robert J. Full (een leider op het gebied van op de natuur geïnspireerde robots), hielp hij onderzoek naar voortbeweging op complex terrein - het klimmen van kakkerlakken op verticale oppervlakken, bijvoorbeeld of spinnen die over oppervlakten met weinig voet aan de grond lopen. Een collega-onderzoeker, Wyatt Korrf, was geïnteresseerd in beweging op een ander soort complex terrein - korrelige, veranderende media. Goldman raakte verslaafd en de twee mannen begonnen samen te werken. "Sommige van de inzichten en hulpmiddelen die we toen hebben ontwikkeld, waren ongelooflijk nuttig in mijn vroege en huidige onderzoek, met name luchtwervelbedden als manier om grondeigenschappen te regelen," zegt Goldman.

Voor een student of liefhebber van beestjes lijkt Goldman's baan misschien een droom. Hij heeft gewerkt met een grote verscheidenheid aan woestijnbewoners en andere dieren, waaronder gekko's, zebrastaarthagedissen, zijwinders, spookkrabben, zandvissen, windschorpioenen, trechterweverspinnen en hatchling onechte zeeschildpadden. In het laboratorium en in het veld observeren hij en zijn collega's deze dieren terwijl ze kruipen, kruipen, lopen, rennen, glibberen en zich anders over of in korrelige materie verplaatsen. De onderzoekers detailleren precieze details - de flexibele stekels op de poten van een spin die bijvoorbeeld beweging over een draadgaas lijken te vergemakkelijken, of de manier waarop een slang zichzelf afvlakt bij het beklimmen van een helling. Vervolgens ontwerpen ze robots met de fysieke elementen en bewegingspatronen waarover ze meer willen weten. Met deze tests en computersimulaties en -analyses kan het team hypotheses ontwikkelen, uitdagen en verfijnen die te maken hebben met natuurkundige principes die zijn geïnspireerd door de bewegingen van de dieren.

Tot nu toe bevat de cast met robotpersonages van het CRAB-lab een robot gemodelleerd naar babyzeeschildpadden en een robot voor zandvissen.

Flipperbot

Onlangs heeft het team nieuw uitgebroede zeeschildpadden bestudeerd die zich haastig over het strand naar de zee haastten - een verraderlijke reis die velen van ons hebben gezien in tv-shows in de natuur. "De beste robots die mensen ontwerpen en bouwen, kunnen niet out-concurreren met een hatchling zeeschildpad waarvan het leven bestaat uit het zwemmen van de hele tijd en het gebruiken van deze aanhangsels op het land slechts een half uur, wegrennen van het nest. ze zal natuurlijk weer flippers gebruiken om eieren te leggen, "zei Goldman. Voor deze studie reisden CRAB-laboratoriumonderzoeker Nicole Mazouchova en onderzoekstechnicus Andrei Savu met een mobiel laboratorium naar Jekyll Island in Georgia. Ze filmden de bewegingen van jongen bij het strand en in een draagbaar testbed. Toen ze de video's in het lab analyseerden, zagen ze dat de babyschildpadden op meer volgestouwd zand hun flippers als stijve stutten gebruikten en draaiden. Op losser zand groeven de schildpadden echter dieper en boog hun polsen. Met de hulp van Flipperbot (je raadde het al, een robot met flippers), een met papaver gevuld testbed, plus theoretische modellering door werktuigbouwkundig ingenieur Paul Umbanhowar van Northwestern University (die ook hielp bij het maken van de 'bot'), bevestigde het team dat de het polsbuigen van schildpadden hielp hen om uitglijden te voorkomen en hun lichamen boven het zand te houden, waardoor wrijving en weerstand worden geminimaliseerd. Het model liet zien hoe dieper graven naar meer zand een grotere doeltreffendheid bood, waardoor het substraat niet meegaf. "We vonden [de schildpad] extreem gevoelig voor hoe diep het zijn flippers in de grond steekt en dat het beter deed wanneer het zijn polsen buigt," zei Goldman. Ze vonden ook dat de schildpadden (en Flipperbot) ernstig gehinderd werden toen ze probeerden door zand te navigeren dat al door beweging was gestoord.

Flipperbot - waarvan de bewegingen verrassend sierlijk zijn - is de eerste robot gemodelleerd op zeeschildpadden en getest op korrelige materialen. Zijn werk kan op een dag ingenieurs helpen om wendbare robots te maken en ons inzicht in de evolutie op aarde te vergroten - vooral die eerste wandelaars die uit de zee komen. "Er wordt veel gespeculeerd over de mechanica waardoor vroege dieren op het land kunnen lopen", zegt Goldman. "Ze hadden hand-achtige vinnen of finlike voeten en niemand weet in detail hoe ze zouden hebben gecorrigeerd met stroombare substraten (zoals modder en zand)," zegt hij."We hebben een oog op biologische vragen van bestaande organismen, maar ook diegenen die in het verleden kunnen hebben geleefd. Als je kijkt naar gazelles, cheeta's - deze dieren zijn ongelooflijk wendbaar over terrestrische grond, en ze kwamen uit dingen die geen concept van terrestrische grond."

Het CRAB-lab bestudeert hoe dieren zoals deze zandvis op en in het zand bewegen. Bevindingen zijn relevant voor robotica, onder andere studiegebieden

Het CRAB-lab bestudeert hoe dieren zoals deze zandvis op en in het zand bewegen. Bevindingen zijn relevant voor robotica, onder andere studiegebieden

Krediet: Daniel Goldman.

De bevindingen van Flipperbot kunnen ook op andere manieren nuttig zijn, zoals het informeren van strategieën voor de instandhouding van zeeschildpadden.

Sandfish robot

In verschillende onderzoeken heeft het team van Goldman patronen ontdekt die kunnen helpen bij het ontwerpen van zoek- en reddingsrobots die zijn ontworpen om over en in puinhopen en wrakstukken te bewegen. Het bevestigde bijvoorbeeld iets dat wetenschappers al lang vermoedden: dat de gebeitelde kop van de sandfish - een hagedis die wordt gevonden in Noord-Afrika - hem helpt ondergronds te duiken. Robotproeven toonden aan dat de hoekige kopvorm niet alleen de weerstand vermindert, maar ook grotere hefkrachten genereert. Met behulp van röntgenopname om te onthullen hoe de zandvis onder het wateroppervlak beweegt, ontdekten de onderzoekers dat de kleine hagedis om roofdieren te ontvluchten zijn ledematen dicht bij zijn lichaam houdt en door het zand golft - en eruit ziet als een echte zwemmer. De sandfish gebruikt een consistent golfpatroon van kop tot staart dat zijn lichaam tegen het zand duwt en voorwaartse beweging genereert. Dit golfpatroon optimaliseert het gebruik van snelheid en energie.

In een meer recent onderzoek met een zesbenige robot, gebruikte het team 3D-afdruktechnologie om benen van verschillende vormen en fysieke oriëntaties te maken, en ontdekte dat convexe robotbenen in de vorm van de letter "C" het best werkten.

'Terradynamics' ontwikkelen

Het kan verleidelijk zijn om de unieke robots van het CRAB-lab als het einde te beschouwen in plaats van als middelen voor onderzoek. Maar de machines zijn eerst een manier om hypothesen te ontwikkelen en te bevestigen, zegt Goldman. Het lab, dat deels wordt gefinancierd door de Physics of Living Systems en Dynamical Systems-programma's van de National Science Foundation, identificeert gestaag basisprincipes die het begrip van hoe voorwerpen zich verplaatsen of in granulaire media aanzienlijk verbeteren. "Het idee is om een ​​terradynamica te ontwikkelen - gelijk aan aero- en hydrodynamica - waarmee we de mobiliteit van apparaten in deze complexe omgevingen kunnen voorspellen," zegt Goldman.

Het lab heeft recent succes geboekt in de terradynamica, met een publicatie in Wetenschap dat beschrijft een nieuwe benadering om te voorspellen hoe kleine potenrobotten op zand of andere stromende materialen bewegen. De benadering gebruikt de krachten (zoals weerstand) die worden toegepast op onafhankelijke elementen van de robotbenen om een ​​maat te krijgen van de netto kracht op een bewegende robot (of dier). "De hagedis die in het zand zwemt, geeft ons een breed begrip achter alle dieren die in echte vloeistoffen zwemmen," zegt Goldman. "Het analyseren van sandfish blijkt voldoende eenvoudig te zijn, zodat we het als basis kunnen gebruiken om andere zwemmers te begrijpen."

Welke specifieke studies staan ​​op de agenda voor het drukke Georgia Tech-lab? In de nabije toekomst zal het team theoretische modellen testen en verfijnen, aangezien ze van toepassing zijn op poten en wielen die in stromend materiaal stoten. Ze zullen ook experimenten uitvoeren om meer te leren over nat zand versus droog. En ten derde zullen ze kijken naar de betrokken fysica wanneer teams van organismen, zoals vuurmieren, zich verplaatsen en graven in een complex terrein.

Meer informatie over het CRAB-labonderzoek

Opmerking van de uitgever: De onderzoekers afgebeeld in Behind the Scenes-artikelen zijn ondersteund door de National Science Foundation, het federale agentschap belast met de financiering van fundamenteel onderzoek en onderwijs op alle gebieden van wetenschap en techniek. Alle meningen, bevindingen en conclusies of aanbevelingen in dit materiaal zijn die van de auteur en komen niet noodzakelijk overeen met de opvattingen van de National Science Foundation. Zie de Achter de schermen archief.


Video Supplement: The Great Gildersleeve: Christmas Shopping / Gildy Accused of Loafing / Christmas Stray Puppy.




WordsSideKick.com
Alle Rechten Voorbehouden!
Reproductie Van Materialen Toegestaan Alleen Prostanovkoy Actieve Link Naar De Site WordsSideKick.com

© 2005–2019 WordsSideKick.com