为什么机器人不能跳远跳蚤

当涉及到超快和轻量级的东西时，机器人无法对跳跃最快的昆虫和其他小而有力的生物保持烛光。

新的研究有助于解释为什么自然界仍然打败机器人，并描述了机器如何可能领先。

以螳螂虾为例，这只小甲壳动物并不比拇指大得多。它的锤状口器可以比每眨眼眨眼速度高出69英里每小时的速度100倍以上，以打破坚硬的蜗牛壳。

陷阱颚蚁使用它们强大的下颚来将自己发射到远离潜在的捕食者或入侵者的空气中。这部电影以每秒3000帧拍摄，然后以慢镜头回放。或者是不起眼的陷阱颚蚁：在零到60的配对中，即使是最快的拖曳者也很少有机会击落它的下颚，它在不到一毫秒的时间内达到每小时140英里以上的速度来捕获猎物。

地球上已知的最快的加速度之一就是水螅的刺。这些身体柔软的水生生物在胶囊的帮助下保护自己，它们的触角就像加压气球一样。当被触发时，他们发射一束微型毒药矛，其速度比子弹快100倍。

在4月27日发表在《科学》杂志上的一项研究中，研究人员描述了一种新的数学模型，它可以帮助解释这些和其他微小生物是如何产生强大的打击、隆起、跳跃和冲撞的。该模型还可以提出方法来设计小型、自然启发的机器人，它们在功率或速度方面更接近于生物对应物。

杜克大学生物系副教授Sheila Patek说：“这些生物爆炸性运动的秘密并不是强健的肌肉，而是它们能像弓箭手的弓一样咯咯叫和释放的弹簧部分。”

韧而柔韧的肌腱、表皮和其他弹性结构像弹弓一样伸展和释放，为跳跃和拍击提供动力。

例如，一种短腿昆虫叫弗罗霍珀，它有一个弓形结构，叫做胸膜弓，它的作用就像一个弹簧。腿上的锁扣状突起控制着它的释放，尽管腿短，但它们能跳跃超过身体长度的100倍。一个力量大的人可以跳近两个足球场。

然而，麻州大学的阿姆斯特斯特博士后研究员Mark Ilton说，目前还不清楚这些机制是如何共同提高权力的。

虽然传统的数学性能模型考虑了肌肉的固有物理折衷——它可以有力地或迅速地收缩，但不能同时收缩——它们不能影响弹簧和锁存器机制固有的折衷。换言之，没有任何东西能够同时更快、更强、更强大。

Patek说：“到目前为止，这些部件大多是黑色盒装的。”

研究人员开发了一种在小尺度上快速运动的数学模型，该模型结合了弹簧和闩锁的约束。

“我们的一部分目标是尝试开发一种同样可以推广到生物或工程系统的模型，”尔湾加利福尼亚大学生态学和进化生物学助理教授Manny Azizi说，他研究蛙跳。

首先，他们编制了104种优秀动植物运动员的大小和速度和加速度的数据。他们将这些数据与微型机器人相似的测量结果进行了比较，这些机器人的灵感来自于超快运动，如打开变色龙舌头、捕捉金星飞陷阱和跳跃昆虫。

通过结合生物和合成弹簧和闩锁的性能权衡，研究者希望更好地理解弹簧质量、刚度、材料组成和闩锁几何形状等变量如何与肌肉或马达一起影响功率。

该模型允许研究人员输入一组弹簧、锁存器和肌肉或马达参数，并返回关于个人在给定重量下的理论最大速度、加速度和其他性能方面的细节。

由跳蚤的解剖和跳跃机制启发的微型机器人。C.Couthe模型对工程师具有重要意义。这表明机器人还不能跳远跳蚤，部分原因是这种快速、重复的动作要求部件彼此精确地协调。

马里兰大学的机械工程系副教授Sarah Bergbreiter说，该模型为研究人员提供了一种工具，可以设计出更精确匹配的小型、快速移动的机器人，以提高性能。蚂蚁的一种。

“如果你有一个你想要设计的特定大小的机器人，例如，它可以让你更好地探索你想要什么样的弹簧，你想要什么样的马达，你需要什么样的锁存器来获得最佳的性能，并理解这些设计的后果。“OICES，”Bergbreiter说。

对于生物学家来说，该模型还可以用来确定不同群体的弹簧动力生物的上、下重量极限，给定的变量，例如它们的身体所制成的弹性材料，Azizi说。