Дрессированный паук прыгает по команде и помогает в разработке новых роботов
Дрессированными дельфинами, лошадьми и даже бегемотами сейчас вряд ли кого-то удивишь. Впрочем, и работать с более социализированными млекопитающими намного проще. А как начёт дрессировки, к примеру, пауков? Оказывается, и такое возможно.
Исследователи из Манчестерского университета (Великобритания) натренировали паука прыгать по команде. При этом они использовали обычную систему вознаграждения – за выполнение задания давали членистоногому сверчка.
Однако интерес учёных состоял не в самой возможности дрессировки. Они изучали анатомические особенности и механизмы, которые задействует паук во время прыжка, чтобы затем адаптировать их для создания нового поколения скачущих роботов.
"Звездой арены" стала самка по кличке Ким (Kim), представитель вида Phidippus regius. Он относится к семейству хищных пауков-скакунчиков, известных своей способностью прыгать на большие расстояния, намного превышающие размер их собственного тела. Это огромное преимущество в охоте, поясняют биологи.
Впрочем, уникальные способности скакунчиков ещё никто не изучал с такой тщательностью, как это сделали британцы. Они использовали трёхмерное КТ-сканирование и высокоскоростные камеры с высоким разрешением для записи и анализа движений паука.
Авторы поясняют в пресс-релизе, что их интересовало, каким образом членистоногие развили анатомические приспособления для прыжков на большие расстояния, а также как можно использовать эту способность при создании гибких роботов.
В ходе исследования специалисты подсчитали, что длина прыжка Ким в пять-шесть раз превышает длину её собственного тела (для сравнения: человек способен совершить прыжок на расстояние, лишь в полтора раза превышающее длину его тела). А сила ног (способность поднимать вес, преодолевая земное притяжение) при отталкивании может в пять раз превышать вес паука, добавляют эксперты.
Чтобы понять биомеханику паучьих прыжков, они дрессировали Ким прыгать с разной высоты и на разные расстояния. Паучиха прыгала на специальные платформы, как показано ниже. Одна платформа размещалась ниже, параллельно или выше относительно другой.
При помощи высокотехнологичной аппаратуры исследователи смогли рассмотреть и изучить строение тела Ким в беспрецедентных подробностях. В результате они выяснили, что P.regius используют различные техники прыжка, в зависимости от расстояния и траектории.
Так, для преодоления короткого расстояния Ким предпочитала быстрый прыжок с плоской траекторией. Такие прыжки более энергозатратны (прикладывается большее усилие), однако они совершаются очень быстро и повышают эффективность охоты, потому что паук очень точно рассчитывает место приземления, поясняют учёные.
А вот при более длинных прыжках и прыжках на возвышенную платформу Ким применяла другую технику. Она экономила энергию и совершала более долгие, "ленивые" прыжки, при этом выбирая, как говорят авторы, "энергетически эффективные" траектории.
Любопытно, что непосредственно перед прыжком членистоногое выпускало паутину, что, вероятно, помогает стабилизировать полёт. Кроме того, Ким выбирала оптимальный угол для прыжка и чаще всего совершала его с самого края платформы. Длительность прыжков варьировалась от 18,1 до 31,6 миллисекунд.
Кроме того, исследователи заключили, что P.regius использует для толчка две пары ног, а не одну, как некоторое другие пауки. По их мнению, мышечной силы для совершения даже самых длинных прыжков должно быть вполне достаточно, хотя роль гидравлического давления в ногах остаётся неизвестной (а это важный момент, поскольку многие пауки используют внутреннее гидравлическое давление для усиления мышечной силы).
По итогам работы специалисты уже построили первую модель прыжкового механизма для роботизированного устройства размерами примерно с Ким (полтора миллиметра в длину). Для дальнейших разработок им потребуется выдрессировать других пауков и изучить механику их прыжков ещё более тщательно.
Об этой работе и её результатах подробнее авторы рассказали в статье, опубликованной в журнале Scientific Reports.
Добавим, что инженеры не впервые обращаются к животному миру, работая над созданием роботов. Например, их вдохновляют осьминоги, морские скаты, летучие мыши и насекомые.