一个由机器人学家、工程师和生物学家组成的跨学科团队模拟了螳螂虾出拳的机制，并建造了一个模仿该运动的机器人。信用:第二湾工作室和罗伊·考德威尔/哈佛SEAS)螳螂虾是动物界中最强的生物。它们像棍子一样的附属物加速的速度比枪里的子弹还快，只要一击就能把螃蟹的胳膊打掉或者打碎蜗牛壳。这些小而强壮的甲壳类动物已经知道如何与章鱼较量并获胜。螳螂虾如何产生这些致命的、超快的运动，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，但是一些机理还没有被很好地理解。
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模拟了螳螂虾出拳的机制，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。
这项研究发表在《美国国家科学院院刊》上。
哈佛大学约翰·保尔森工程和应用科学学院(SEAS)工程和应用科学教授、该论文的资深作者罗伯特·伍德说:“我们对自然界中看到的如此多的非凡行为着迷，尤其是当这些行为达到或超过人造设备所能达到的水平时。“例如，螳螂虾攻击的速度和力量是一个复杂的潜在机制的结果。通过构建螳螂虾攻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闩锁机制(如捕鼠器)快速释放弹性能量来产生超快速运动。在螳螂虾中，嵌入肌肉肌腱中的两个叫做巩膜的小结构充当附件的闩锁。在典型的弹簧加载机构中，一旦物理闩锁被移除，弹簧将立即释放存储的能量。
但是当螳螂虾附肢的巩膜打开时，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，从巩膜释放到附件燃烧之间会有一段时间延迟，”SEAS博士后、该论文的第一作者之一Nak-seung Hyun说。“就好像是一只老鼠触发了捕鼠器，但它并没有立即捕捉，而是在捕捉之前有了明显的延迟。显然还有另一种机制将附肢固定住，但没有人能够分析理解另一种机制是如何工作的。”
“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产生了高加速度，”SEAS大学的研究生、该论文的第一作者艾玛·斯坦哈特说。
生物学家假设，当巩膜开始解锁时，附件本身的几何形状就像一个辅助闩锁，控制手臂的运动，同时继续储存能量。但是这个理论还没有得到验证。
这张图片显示的是一个1.5克虾大小的机器人的撞击。功劳:Greg Freeburn和Emma Steinhardt/哈佛大学SEAS分校研究团队首先通过研究系统的联动机制来检验这一假设，然后构建了一个物理的机器人模型。一旦他们有了机器人，团队就能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，从锁定的巩膜开始，到附肢的实际攻击结束。他们发现，事实上，在巩膜解锁后，机构的几何形状接管，保持附件在适当的位置，直到它达到一个过中心点，然后闩锁释放。
斯坦哈特说:“这个过程控制了储存的弹性能量的释放，实际上增强了系统的机械输出。“几何闭锁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，比如出拳。”
研究人员在一个1.5克虾大小的机器人中模拟了这一过程。虽然机器人没有达到螳螂虾攻击的速度，但它在空中的速度是每秒26米——加速度相当于一辆汽车在4毫秒内达到58英里/小时。迄今为止，该设备比同规模的任何类似设备都要快。
“这项研究举例说明了跨学科合作如何在多个领域产生发现，”合著者、杜克大学生物学教授希拉·帕特克说。“建立物理模型和发展数学模型的过程使我们重新认识了螳螂虾攻击力学，更广泛地说，发现了生物体和合成系统如何在超快速、重复使用的运动过程中利用几何学来控制极端能量流。”
这种将物理模型和分析模型相结合的方法可以帮助生物学家理解和机器人学家模仿自然界的一些其他非凡的食物，例如诱捕颚蚁如何如此快速地咬紧它们的颚或者青蛙如何将自己推进如此之高。
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