 Почему хвост у морского конька квадратный? Международная группа исследователей нашла ответ на этот вопрос, и это в свою очередь может привести к созданию более лучших роботов и медицинских приборов. В двух словах, хвост сделанный из квадратных перекрывающихся сегментов имеет более лучшую броню, чем цилиндрический хвост. С его помощью также легче осуществлять захват.
«Почти все хвосты животных имеют круглые или овальные сечения. Но не морской конек, и мы задались вопросом, почему», сказал Майкл Портер, доцент машиностроения в университете Клемсона университете и ведущий исследователь. «Мы обнаружили, что хвост квадратной формы гораздо удобнее при захвате и позволить создать более лучшую броню».
Что также примечательно, квадратные плиты делают хвост морского конька жестче, сильнее и в то же время более устойчивым к деформации. Как правило, усиление любой из этих характеристик будут ослабить по крайней мере одну из остальных, по словам Портера. Он и его коллеги задались целью выяснить, почему так происходит.
Они обнаружили, что квадратные плиты движутся только с одной степенью свободы при растирании: они скользят. Напротив, круглые пластины имеют две степени свободы: они скользят и вращаются. В результате, квадратные пластины поглощают больше энергии перед началом неустранимой ошибки.
Чтобы прийти к их результатам, исследователи использовали широкий спектр методов, в том числе 3D-печать упрощенной модели хвоста морского конька, которую они затем подвергли сгибанию, скручиванию, сжатию и дроблению. Они также напечатали аналогичные модели хвостов перекрывающихся круглых сегментов, которые были разработаны ими и не встречается в природе.
«Новые технологии, как 3D-печать, позволяют имитировать биологические конструкции, но также может построить гипотетические модели конструкций, которые не встречаются в природе», сказал Портер. «Мы можем проверить их друг против друга, чтобы найти вдохновение для новых инженерных приложений, а также объяснить, как развивались биологические системы».
Исследовательская группа Портера теперь применяет этот метод для разработки новых структур и робототехнических систем, которые имитируют различные другие природные и гипотетические системы, что позволяет ему перевести свои исследования в такие сферы, как биология, в качестве источника вдохновения для машиностроения, и в качестве инструмента для изучения биологии.
Когда исследователи свернули 3D-печатный квадратный хвост морского конька, они обнаружили, что его квадратные пластины ограничивали его диапазон движения примерно в два раза по сравнению с моделью из круглых сегментов. Кроме того, после искажения, квадратная модель быстрее возвращалась к своей первоначальной форме, в то же время расходуя минимальное количество энергии. Исследователи предполагают, что это может защитить хвост от повреждений. В отличие от этого, хвост сделанный из круглых сегментов, более легко сворачивается и требует больше энергии, чтобы вернуться к своей первоначальной форме. Исследователи также обнаружили, что квадратные сегменты хвоста создали больше контактных точек с поверхностью по сравнению с хвостом с круглыми сегментами.
Кроме того, хвост морского конька сгибается таким образом, что позволяет ему хватать объекты в пределах своей прямой видимости. Соавтор исследования Росс Л. Хаттон, доцент машиностроения в Университете штата Орегон и специалист по робототехнике, помог Портеру разработать геометрические модели, описывающие механику хвоста и подтверждающие, что его геометрия оптимизирована именно для этого вида захвата.
Исследователи также сжали модели, сделанные из 3D-печатных сегментов и сравнили их поведение с 3D-печатными твердыми структурами с квадратными и круглыми сечениями - но без сегментов. Они обнаружили, что хвост морского конька имеет швы именно в тех местах, где твердые структуры разламываются при применении давления. Это позволяет конструкции поглощать больше энергии при ударе. Еще более впечатляющим, квадратная модель превзошла первый раунд во всех испытаниях. Это потому, что квадратные сегменты ломаются без изменения их общей формы. Напротив, круглые сегменты открываются под приложенной нагрузкой, изменяя их форму с круговой на эллиптическую. Это важно, потому что водоплавающие птицы являются одними из основных хищников морских коньков, которые захватывают свою добычу клювов и давят ее в процессе.
Портер также исследовал, как устройства, вдохновленные структурой хвоста морского конька, можно было бы использовать в реальной жизни. Одной из возможностей является масштабирование структуры, чтобы построить манипулятор, который может использоваться в агрессивных средах. Можно также масштабировать конструкцию вниз, чтобы построить катетер. Подобных возможностей очень много.
Хвост конька является, как правило, состоит из приблизительно 36 квадратных сегментов, каждый из которых состоит из четырех Г-образных угловых пластин, которые постепенно уменьшаются в размерах по длине хвоста. Пластины могут свободно скользить. Скользящие суставы позволяют костным пластинам скользить мимо друг друга. Поворотные соединения похожи на шарниры, с тремя степенями вращательной свободы. Пластины соединены позвонками по толстым слоям коллагеновых соединительной ткани. Стыки между плитами и позвонками являются чрезвычайно гибкими и имеют почти шесть степеней свободы.
|
