Связь движении робота и змеи

Западная лопаточная Змея движется сквозь чувствительный к силе набор резиновых колышков. Колышки изменяли направление движения змей, но не меняли форму волны, которую они использовали для перемещения. Предоставлено: Эллисон Картер, штат Джорджия.

Пустынные змеи, скользящие по песку ночью, могут столкнуться с препятствиями, такими как растения или ветки, которые изменяют направление их движения. Изучая это движение, чтобы узнать, как бесполые животные контролируют свои тела в таких условиях, исследователи обнаружили, что змеи, сталкивающиеся с этими препятствиями, имитируют аспекты света или субатомных частиц, когда они сталкиваются с дифракционной решеткой.

Эффект этой «механической дифракции» позволил исследователям наблюдать, как траектории змей изменялись с помощью пассивных механизмов, управляемых скелетной и мышечной динамикой распространяющихся волн тела животных. Исследователи изучали живых змей, когда они скользили через препятствие, состоящее из шести чувствительных к силе жестких колышков, которые сгибали тела животных, изменяя их пути предсказуемым образом.

Результаты, описанные 25 февраля в журнале «Известия Национальной академии наук» , указывают на то, что Западная лопаточная Змея (Chionactis occipitalis) не меняют намеренно направление, когда они сталкиваются с препятствиями во время движения по песку. Понимание движения этих беспомощных животных может помочь инженерам улучшить управление автономными поисково-спасательными роботами, предназначенными для работы на песке, траве и других сложных средах.

«Идея, лежащая в основе пассивной динамики, заключается в том, что у животного происходят изменения формы волны, которые полностью зависят от пассивных свойств их тел», — сказал недавний доктор философии Перрин Шибель. выпускник физического факультета в Технологическом институте Джорджии. «Вместо того, чтобы послать сигнал для активации мышц, взаимодействие тел змей с внешней средой — это то, что вызывает изменение формы. Силы препятствий толкают тела змей в новую форму».

Западная лопаточная Змея обычно использует синусоидальную S-образную волну, чтобы перемещаться по пустыням юго-запада США. Попадание в жесткие колышки в лабораторных условиях не приводит к активному изменению этой формы волны, которую Шибель и его коллеги изучили с использованием высокоскоростных видеокамер с восемью различными животными.

В исследовании, поддержанном Национальным научным фондом, Исследовательским отделом армии, Агентством перспективных оборонных проектов и Национальным научным и инженерным сообществом по обороне, исследователи использовали 253 поездки на змею для построения дифракционной картины. Примечательно, что картина также показала, что направления рассеяния были «квантованы» так, что вероятность обнаружения змеи за решеткой могла быть представлена ​​в схеме, имитирующей помехи от волн. Вычислительная модель была в состоянии захватить картину, показывая , как направление , в котором змеином будет изменено заградительными встречами через пассивное коробление тела.

«Одна проблема с роботами, движущимися в реальном мире, заключается в том, что у нас еще нет принципов, по которым мы можем понять, как лучше всего управлять этими роботами на гранулированных поверхностях, таких как песок, опавшие листья, щебень или трава», — сказал Даниэль Голдман, данн. Семья Профессора в Технологической Школе Джорджии. «Цель этого исследования состояла в том, чтобы попытаться понять, каким образом двигатели без конечностей, которые имеют длинные тела, которые могут сгибаться интересными способами, используя потенциально сложные нейромеханические схемы управления, могут перемещаться по сложной местности».

Эксперимент со змеей был предложен роботизированным исследованием, проведенным постдокторантом Дженнифер Ризер, который обнаружил подобное поведение среди роботов, сталкивающихся с препятствиями.

«У робота, как правило, есть аспекты, которые имитируют особенности субатомного мира — квантового мира», — пояснил Голдман. «Когда он сталкивается с барьерами, робот распространяется через эти барьеры, используя волны изгиба тела. Его траектория отклоняется при выходе из барьеров, и во многих повторных испытаниях обнаруживается« разбитая »картина рассеяния, аналогичная экспериментам. Мы поняли, что можем использовать это удивительное и прекрасное явление, классическая физика, но с самодвижением — ключевой особенностью, как рассеивающий эксперимент для опроса схемы управления, используемой змеями».

Экспериментально исследователи использовали «змеиную арену», покрытую ковром, чтобы имитировать песок. Студенты бакалавриата Алекс Хаббард и Лилиан Чен выпускали змей по очереди на арену и поощряли их скользить по решетке.

Глаза пустынных змей естественно покрыты чешуей, чтобы защитить их. Исследователи использовали детскую краску для лица, чтобы временно «завязать глаза» животным, чтобы они не отвлекали исследователей. Краска не наносила вреда животным.

«Когда мы опустили змей на арену, они начали двигаться, используя ту же форму волны, что и на песке пустыни», — объяснил Шибель. «Затем они столкнутся с решеткой дюбеля, пройдут через нее и продолжат на другой стороне, все еще используя эту форму волны».

Исследователи (слева направо) Перрин Шибель, Лилиан Чен, Дженнифер Рисер и Дэн Голдман показаны со змеей, движущейся по экспериментальной арене. Предоставлено: Эллисон Картер, штат Джорджия.

Вместо того, чтобы продолжать путешествовать по арене по прямой линии, змеи выходили под другим углом, хотя они не хватались за столбы и не использовали их для облегчения своего движения. Шибель работал с Зебом Роклином, профессором физики штата Джорджия, чтобы смоделировать изменения направления. Модель показала, как простое взаимодействие между волновым рисунком змей и решеткой приводит к появлению предпочтительных направлений рассеяния.

«Мы думаем, что змея, по сути, работает в модели, которую инженеры-контролеры считают «открытой петлей», — сказал Голдман. «Он устанавливает конкретную моторную программу на своем теле, которая генерирует характерную волновую картину, и когда она сталкивается с препятствием, механика его тела позволяет ему деформировать и перемещать стойки без ухудшения скорости».

Гольдман полагает, что работа может помочь разработчикам змееподобных роботов улучшить свои схемы управления.

«Мы считаем, что наши открытия роли пассивной динамики в змее могут способствовать созданию новых конструкций роботов- змей, которые позволят им более плавно перемещаться в сложных условиях», — сказал он. «Цель состоит в том, чтобы создать роботов для поиска и спасения, которые могут проникнуть в эти сложные среды и помочь первым, кто реагирует».

И в качестве бонуса, по словам Голдмана, «мы обнаруживаем, что богатство взаимодействий между самоходными системами, такими как змеи и роботы, с их окружением является захватывающим с точки зрения физики «активной материи»».

Сайт источника: https://phys.org/news/2019-02-sand-slithering-snakes.html#jCp

Тимеркаев Борис — 68-летний доктор физико-математических наук, профессор из России. Он является заведующим кафедрой общей физики в Казанском национальном исследовательском техническом университете имени А. Н. ТУПОЛЕВА — КАИ

comments powered by HyperComments
Оценки статьи:
1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Пока оценок нет)
Загрузка...