螳螂虾是动物王国中最强的生物。它们棒状的附肢比枪中的子弹加速得更快，只需一击就可以将螃蟹的手臂从螃蟹上击落或突破蜗牛壳。众所周知，这些小而强大的甲壳类动物会战胜章鱼并获胜。
螳螂虾如何产生这些致命的、超快速的运动，长期以来一直让生物学家着迷。高速成像的最新进展使得观察和测量这些撞击成为可能，但其中一些机制尚未得到很好的理解。
现在，一个由机器人学家、工程师和生物学家组成的跨学科团队已经对螳螂虾的拳击力学进行了建模，并建造了一个模仿运动的机器人。这项研究揭示了这些好斗的甲壳类动物的生物学，并为小型但强大的机器人设备铺平了道路。
该研究发表在美国国家科学院院刊上。
“我们对我们在自然界中看到的如此多非凡的行为着迷，特别是当这些行为达到或超过人造设备所能达到的水平时，”罗伯特伍德说，他是哈里刘易斯和马林麦格拉思工程与应用科学教授哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院 (SEAS) 和该论文的高级作者。“例如，螳螂虾撞击的速度和力量是复杂潜在机制的结果。通过构建螳螂虾撞击附肢的机器人模型，我们能够以前所未有的细节研究这些机制。”
许多小型生物——包括青蛙、变色龙，甚至某些种类的植物——通过储存弹性能量并通过锁定机制(如捕鼠器)快速释放来产生超快运动。在螳螂虾中，嵌入肌肉肌腱中的两个小结构称为巩膜，充当附肢的闩锁。在典型的弹簧加载机构中，一旦物理闩锁被移除，弹簧将立即释放储存的能量。
但是当巩膜在螳螂虾的附肢中解开时，会有一个短暂但明显的延迟。
“当你在超高速相机上观察撞击过程时，从骨片释放到附属物燃烧之间存在时间延迟，”SEAS 博士后研究员、该论文的共同第一作者 Nak-seung Hyun 说。纸。“就好像一只老鼠触发了一个捕鼠器，但它并没有立即捕捉，而是在捕捉之前有一个明显的延迟。显然有另一种机制将附件固定到位，但没有人能够分析理解如何其他机制有效。”
“我们知道与其他甲壳类动物相比，螳螂虾没有特殊的肌肉，所以问题是，如果不是它们的肌肉创造了快速运动，那么一定有一种机械机制可以产生高加速度，”艾玛斯坦哈特说， SEAS的研究生和论文的第一作者。
生物学家假设，当硬骨开始解锁时，附肢本身的几何形状充当辅助闩锁，在它继续储存能量的同时控制手臂的运动。但是这个理论还没有经过检验。
研究团队首先通过研究系统的联动机制来验证这一假设，然后构建了一个物理机器人模型。一旦有了机器人，该团队就能够开发出运动的数学模型。研究人员绘制了螳螂攻击的四个不同阶段，从锁定的硬骨开始，到附肢的实际攻击结束。他们发现，实际上，在巩膜解锁后，该机构的几何形状接管，将附属物固定到位，直到它到达过中心点，然后闩锁释放。
“这个过程控制了储存弹性能量的释放，实际上增强了系统的机械输出，”斯坦哈特说。“几何锁定过程揭示了生物体如何在这些短时间的运动中产生极高的加速度，比如拳击。”
研究人员在一个 1.5 克的虾级机器人中模拟了这个过程。虽然机器人没有达到螳螂虾攻击的速度，但它在空中的速度达到了每秒 26 米——加速度相当于汽车在 4 毫秒内达到 58 英里/小时。该设备比迄今为止相同规模的任何类似设备都要快。
“这项研究证明了跨学科合作如何为多个领域带来发现，”共同作者、杜克大学生物学教授希拉·帕特克 (Sheila Patek) 说。“建立物理模型和开发数学模型的过程使我们重新审视了我们对螳螂虾撞击力学的理解，并且更广泛地发现生物体和合成系统如何在超快速、重复的过程中利用几何学来控制极端能量流。 ——使用，动作。”
这种结合物理和分析模型的方法可以帮助生物学家理解和机器人学家模仿大自然的其他一些非凡的壮举，例如陷阱颚蚁如何如此迅速地咬住下颚或青蛙如何将自己推得如此之高。
这项研究由 Je-sung Koh、Gregory Freeburn、Michelle H. Rosen 和 Fatma Zeynep Temel 共同撰写。它得到了美国陆军研究实验室和美国陆军研究办公室的支持，合同/授权号为 W911NF1510358。
