Quando si tratta di cose ultraveloci e leggere, i robot non possono reggere il confronto con gli insetti che saltano più velocemente e altre creature piccole ma potenti.

Una nuova ricerca potrebbe aiutare a spiegare perché la natura batte ancora i robot, e descrive come le macchine potrebbero prendere l'iniziativa.

Prendi i gamberi di mantide, un piccolo crostaceo non molto più grande di un pollice. Il suo apparato boccale simile a un martello può fornire ripetutamente colpi a 69 miglia all'ora più di 100 volte più velocemente di un battito di ciglia per aprire i gusci di lumaca.

O la formica dalla mascella trappola senza pretese:in un incontro da zero a 60, anche il dragster più veloce avrebbe poche possibilità contro le sue mandibole che si spezzano, che raggiungono velocità di oltre 140 miglia all'ora in meno di un millisecondo per catturare la loro preda.

Una delle accelerazioni più veloci conosciute sulla Terra è la puntura dell'idra. Queste creature acquatiche dal corpo morbido si difendono con l'aiuto di capsule lungo i loro tentacoli che agiscono come palloncini pressurizzati. Quando attivato, sparano una raffica di microscopiche lance avvelenate che accelerano brevemente 100 volte più velocemente di un proiettile.

In uno studio che apparirà il 27 aprile sulla rivista Scienza , i ricercatori descrivono un nuovo modello matematico che potrebbe aiutare a spiegare come questi e altri piccoli organismi generano i loro potenti colpi, masticare, salti e pugni. Il modello potrebbe anche suggerire modi per progettare piccoli, robot ispirati alla natura che si avvicinano alle loro controparti biologiche in termini di potenza o velocità.

Il segreto dei movimenti esplosivi di questi organismi non sono i muscoli potenti, ma piuttosto parti a molla che possono armare e rilasciare come l'arco di un arciere, disse Sheila Patek, professore associato di biologia alla Duke University.

Tendini resistenti ma flessibili, cuticole e altre strutture elastiche si allungano e si rilasciano come fionde, alimentando i loro salti e scatti.

Un insetto dalle zampe corte chiamato froghopper, Per esempio, ha una struttura ad arco chiamata arco pleurico che agisce come una molla. Le sporgenze simili a chiavistelli sulle loro gambe controllano il suo rilascio, permettendo loro di saltare più di 100 volte la loro lunghezza del corpo nonostante le loro gambe corte. Una persona con così tanto potere potrebbe saltare quasi due campi da calcio.

Però, non è chiaro come questi meccanismi lavorino insieme per aumentare il potere, ha detto Mark Ilton, un borsista post-dottorato presso l'Università del Massachusetts Amherst.

Mentre i tradizionali modelli matematici delle prestazioni tengono conto dei compromessi fisici intrinseci del muscolo, che può contrarsi con forza, o rapidamente, ma non entrambi:non tengono conto dei compromessi inerenti alle molle e ai meccanismi simili a chiavistelli. In altre parole, niente può essere più veloce, più forte, e più potente allo stesso tempo.

"Finora questi altri componenti sono stati per lo più in scatola nera, " ha detto Patek.

I ricercatori hanno sviluppato un modello matematico di movimento rapido su piccola scala che incorpora vincoli su molle e chiavistelli.

"Parte del nostro obiettivo era cercare di sviluppare un modello che fosse ugualmente generalizzabile a sistemi biologici o ingegnerizzati, " disse Manny Azizi, un assistente professore di ecologia e biologia evolutiva presso l'Università della California, Irvine che studia le rane che saltano.

Primo, hanno raccolto dati sulle dimensioni e sulle velocità e accelerazioni massime per 104 specie di atleti d'élite di piante e animali. Hanno confrontato i dati con misurazioni simili per robot in miniatura ispirati a movimenti ultraveloci come lingue di camaleonte spiegate, schioccando trappole per mosche e insetti saltellanti.

Incorporando i compromessi prestazionali delle molle e dei chiavistelli biologici e sintetici, i ricercatori sperano di capire meglio come variabili come la massa della molla, rigidità, la composizione del materiale e la geometria del chiavistello lavorano insieme ai muscoli o ai motori per influenzare la potenza.

Il modello consente ai ricercatori di inserire una serie di molle, latch e parametri muscolari o motori e ottenere dettagli sulla velocità massima teorica di un individuo, accelerazione, e altri aspetti delle prestazioni a un dato peso.

Il modello ha importanti implicazioni per gli ingegneri. Suggerisce che i robot non possono ancora superare una pulce in parte perché così veloci, movimenti ripetibili richiedono che i componenti siano perfettamente sintonizzati l'uno con l'altro.

Ma il modello offre ai ricercatori uno strumento per progettare piccoli, robot in rapido movimento con componenti più precisamente abbinati che lavorano meglio insieme per migliorare le prestazioni, disse Sarah Bergbreiter, un professore associato di ingegneria meccanica presso l'Università del Maryland che realizza robot saltanti delle dimensioni di una formica.

"Se hai un robot di dimensioni particolari che vuoi progettare, Per esempio, ti permetterebbe di esplorare meglio che tipo di primavera desideri, che tipo di motore vuoi, che tipo di fermo è necessario per ottenere le migliori prestazioni su quella scala di dimensioni, e comprendere le conseguenze di tali scelte progettuali, " disse Bergbreiter.

Per i biologi, il modello può essere utilizzato anche per individuare i limiti di peso superiore e inferiore di diversi gruppi di organismi a molla, date variabili come i materiali elastici di cui sono fatti i loro corpi, disse Azizi.