Ученые изучили прыжки нематод и повторили их с помощью мягкого робота

Американские инженеры и биологи изучили механизм прыжков паразитоидных круглых червей, с помощью которых те передвигаются и прикрепляются к насекомым-хозяевам. Для накопления и резкого высвобождения энергии они сильно деформируют тело, изгибая его петлей, а затем резко распрямляются, подпрыгивая вверх на высоту до двадцати длин своего тела. Воспроизведя этот механизм в нескольких мягких роботах в виде эластичных стержней, инженеры смогли добиться прыжков на высоту до двадцати пяти длин тела: модель робота с длиной тела 12 сантиметров, например, смогла подпрыгнуть на высоту до трех метров со скоростью тринадцать метров в секунду. Исследование опубликовано в Science Robotics.

Энтомопатогенные нематоды — это круглые черви, которые часть времени живут в почве, а часть — внутри тела насекомого-хозяина, которого в итоге убивают. Чтобы заразить насекомое, нематоде нужно сначала попасть на его поверхность. Некоторые виды выработали для этой цели уникальное поведение — они могут прыгать в сторону жертвы, изгибая тело в виде петли. Нематоды вида Steinernema carpocapsae, например, при длине тела 0,5 миллиметра могут подпрыгнуть на высоту до 1 сантиметра, что составляет 20 длин их тела. Принципы, лежащие в основе столь высоких прыжков, могли бы пригодиться в робототехнике при создании прыгающих роботов, однако до сих пор они не были достаточно изучены.

Этот пробел взялись устранить биологи и инженеры из США под руководством Саада Бхамлы (Saad Bhamla) из Технологического института Джорджии. С помощью скоростной видеосъемки (до 150 тысяч кадров в секунду) они зафиксировали весь процесс прыжка нематод S. carpocapsae. Сначала нематода, стоя на хвосте сворачивается в петлю, напоминающую по форме греческую букву альфа. Для этого червь прижимает передний конец тела к хвостовой части. Из-за этого в центре петли в области наибольшей кривизны образуется перегиб — складка на внешних покровах червя. Нематода при этом продолжает сгибаться, накапливая энергию, пока в какой-то момент не происходит молниеносное (за сто пятьдесят микросекунд) распрямление петли. Нематоду подбрасывает вверх со скоростью от одного до четырех метров в секунду. Расчеты показали, что удельная мощность, развиваемая при таком прыжке, достигает десяти киловатт на килограмм массы тела, что на несколько порядков превосходит возможности мышц нематод.

Исследователи выяснили, что главную роль в подготовке прыжка играют две ключевые особенности: образующийся из-за сильной деформации петли перегиб в центре и так называемая «жидкая защелка» из водяной капли. Формирование этого излома на теле позволяет нематоде накопить больше упругой энергии, так как дальнейшее сгибание требует меньше мышечных усилий — вся деформация концентрируется в зоне образовавшей на кутикуле складки. Для удержания петли и накопленной энергии нематода использует тонкую пленку жидкости (влага из окружающей среды) между соприкасающимися частями тела: силы поверхностного натяжения капли удерживают петлю сомкнутой. Разрыв защелки и сверхбыстрое высвобождение энергии происходят, когда сила, стремящаяся разогнуть деформированное тело, превышает силу поверхностного натяжения капли.

Чтобы лучше понять механику прыжка, инженеры создали и испытали несколько физических моделей (авторы называют их мягкими роботами) в виде эластичных стержней из разных материалов с различным соотношением длины к диаметру. Эксперименты с ними показали, что благодаря излому, возникающему при сгибании стержня, накапливается в четыре-пять раз больше энергии по сравнению с изгибом без излома при том же усилии, а скорость распрямления значительно возрастает. Было подтверждено, что наличие излома приводит к увеличению высоты прыжка физических моделей и ускорению их распрямления. Излом формируется при соотношении длины стержня к его диаметру равному семи или менее. У изученных нематод в исходном вытянутом состоянии это соотношение составляет около 20. Однако, формируя петлю, нематода эффективно уменьшает его в этой области до семи и менее.

Среди изготовленных моделей наиболее эффективной оказалась модель из силиконового эластомера (винил полисилоксан), с вставленными внутрь углеродными стрежнями для придания дополнительной упругости. Версия такого робота с восемью стержнями массой три с половиной грамма и длиной 12 сантиметров при распрямлении смогла подпрыгнуть на высоту около трех метров, что составляет двадцать пять длин тела, со скоростью тринадцать метров в секунду. В экспериментах стержень успешно прыгал с сыпучей поверхности (песок), безопасно отскакивал от надувного шарика за счет внешней мягкой оболочки (в отличие от «голого» углеродного стержня, который лопал шарик), и менял направление прыжка за счет смещения центра масс с помощью положения установленной на одном из концов 3D-печатной «головы». Реальные нематоды управляют направлением прыжка схожим образом: они изменяют угол наклона переднего конца тела и изгиба петли, что также позволяет сместить центр масс. Кроме этого, инженеры продемонстрировали возможность прилипания робота к металлической поверхности после прыжка при добавлении в конструкцию магнитов.

По словам авторов, изученные принципы прыжков нематод могут помочь в будущем в разработке прыгающих роботов, способных передвигаться по различным поверхностям и субстратам. Это может пригодиться, например, при создании аппаратов для исследования поверхности других планет.

Другая группа инженеров вдохновившись строением ногохвосток создала недавно миниатюрного роботаракана, способного прыгнуть на расстояние в 23 раза превышающее длину его собственного тела. Достигается высокая прыгучесть за счет прыжкового механизма в хвосте робота, конструкция которого имитирует прыгательную вилку ногохвосток.