Os pés auto-morfos e em forma de asa aumentam a manobrabilidade da superfície de estriders de água e robôs

Uma equipe colaborativa de pesquisadores da Universidade da Califórnia, Berkeley, do Instituto de Tecnologia da Geórgia e da Universidade de Ajou na Coréia do Sul revelou que as hélices únicas semelhantes a fãs de striders de água de Rhagovelia-que permitem que elas deslizem mais que os riachos de rápido e pareçam um pouco de um pouco de um pano, como um pincel, o ten-temas mais fios.

Inspirado por essa inovação biológica, a equipe desenvolveu um robô em escala de insetos que incorpora ventiladores de auto-morfos que imitam os movimentos ágeis dos bugs de Rhagovelia. Este estudo destaca como a forma e a função de uma adaptação biológica moldada por seleção natural podem melhorar a locomoção e a resistência de estriders de água e robôs bioengenhados sem incorrer em custos adicionais de energia.

Um ventilador automático aumenta o movimento interfacial

Os Striders de água de Rhagovelia são únicos entre os estriders de água, porque esses insetos semiaquáticos do tamanho de milímetro usam estruturas especiais de ventilador em suas pernas de propulsão que permitem curvas rápidas e rajadas de velocidade.

“Fiquei intrigado na primeira vez em que vi insetos Ripple enquanto trabalhava como pós-doutorado na Universidade Estadual de Kennesaw durante a pandemia”, disse Victor Ortega-Jimenez, biólogo integrativo agora na Universidade da Califórnia, Berkeley, principal autor do estudo.

Ortega-Jimenez já havia estudado o desempenho de saltos de grandes estriders de água de Gerridae de águas instáveis, mas os insetos de Rhagovelia eram diferentes.

“Esses minúsculos insetos estavam deslizando e girando tão rapidamente pela superfície de riachos turbulentos que se assemelhavam a insetos voadores. Como eles fazem isso? Essa pergunta ficou comigo e levou mais de cinco anos de trabalho colaborativo incrível para responder”.

Até agora, acreditava -se que esses fãs eram alimentados apenas pela ação muscular. No entanto, um estudo publicado em Ciência Relatos de que os ventiladores planos de Rhagovelia podem se transformar passivamente usando tensão superficial e forças elásticas, sem depender da energia muscular.

“Observar pela primeira vez que um fã isolado se expandiu passivamente quase instantaneamente após contato com uma gota de água foi totalmente inesperado”, disse o Dr. Ortega-Jimenez.

Essa notável combinação de colapsibilidade durante a recuperação e rigidez das pernas durante a propulsão permite que os insetos executem curvas acentuadas em apenas 50 milissegundos e se movam em velocidades de até 120 comprimentos do corpo por segundo, rivalizando com as manobras aéreas rápidas de moscas voadoras.

A colaboração é fundamental

Quando o Dr. Ortega-Jimenez ingressou na Georgia Tech em 2020, depois de deixar a KSU, ele apresentou o projeto e observações preliminares sobre os insetos de Rhagovelia ao Dr. Saad Bhamla, que ficou fascinado e ansioso para explorá-lo ainda mais. Foi o Dr. Bhamla quem trouxe o grupo do Dr. Je-Sung para a colaboração, abrindo novas possibilidades para integrar biologia, física e robótica no projeto.

“Vi uma descoberta real escondida à vista. Muitas vezes, achamos que a ciência é um esporte genial solitário, mas isso não poderia estar mais longe da verdade. A ciência moderna é sobre equipes interdisciplinares de cientistas curiosos que trabalham juntos, através de fronteiras e disciplinas, para estudar a natureza e projetar novas máquinas bioinspiradas”, disse o Dr. Bhamla.

Esse esforço interdisciplinar, integrando biologia experimental, física de fluidos e design de engenharia, continuou por mais de cinco anos.

RHAGOBOT nasce: a próxima geração de robôs aquáticos

Criar um robô do tamanho de insetos inspirado em Bipple Bugs foi um grande desafio, principalmente porque o projeto microestrutural do ventilador permaneceu um mistério. O avanço veio quando o Dr. Dongjin Kim e o professor Je-Sung, da Universidade de Ajou, capturaram imagens de alta resolução do ventilador usando um microscópio eletrônico de varredura, para que pudessem descobrir a solução para esse quebra-cabeça.

“Inicialmente, projetamos vários tipos de fãs em forma de cilíndrica, que geralmente pensamos como é o cabelo”, disse o Dr. Dongjin Kim, pesquisador de pós-doutorado da Universidade de Ajou e também principal autor deste estudo.

“No entanto, a dualidade funcional do ventilador-rigidez para geração de impulsos e flexível para a colapsibilidade-não poderia ser alcançada com estruturas cilíndricas. Após inúmeras tentativas, superamos esse desafio projetando um ventilador em forma de ribane.

“Suspeitamos fortemente que os fãs biológicos pudessem compartilhar uma morfologia semelhante e, eventualmente, descobrimos que o fã de Rhagovelia realmente possui uma micro-arquitetura de fita plana, que não havia sido relatada anteriormente. Essa descoberta validou ainda mais o princípio do design por trás de nosso ventilador de ribbon plano artificial.

“Com essas idéias, eles foram capazes de decodificar a base estrutural e a função desse sistema de propulsão natural e recriá-lo em uma forma robótica. O resultado foi a engenharia de um fã de elastocapilar de um miligrama que se implanta, que foi integrado a um robô de tamanho de insetos. protótipos. ”

“Nossos fãs robóticos se auto-moram usando nada além de forças da superfície da água e geometria flexível-assim como suas contrapartes biológicas. É uma forma de inteligência incorporada mecânica refinada pela natureza através de milhões de anos de evolução. Em pequenas robóticas de referida, esses tipos de referências, que seriam os que seriam os principais mecanismos de robótica, para que os referidos referidos signs, que seriam os que seriam os principais mecanismos de robótica. o estudo.

O estudo não apenas estabelece uma ligação direta entre a microestrutura do ventilador e o controle de locomoção aquática, mas também estabelece as bases para o design futuro de robôs compactos e semi-aquáticos que podem explorar superfícies de água em ambientes desafiadores e de fluxo rápido.

A estrutura do ventilador do Ripple Bug, que rapidamente entra em colapso e reabre quando entra e sai da água, revelou uma dualidade biomecânica sem precedentes – alta flexibilidade para implantação rápida e alta rigidez para impulso. Essa dualidade aborda limitações de longa data em robótica aquática em pequena escala, como recuperação ineficiente de AVC e capacidade de manobra limitada.

Vórtices de desenho e ondas na água

É sabido que, durante a propulsão, os estriders de água não desenhados (por exemplo, os da família Gerridae) geram vórtices dipolares característicos e ondas capilares ao acariciar suas pernas super-hidrofóbicas na água.

Por outro lado, os bugs de Rhagovelia, fanganse, produzem uma assinatura vortical distinta e complexa a cada golpe, parecido com a esteira produzida por asas batendo asas no ar.

“É como se Rhagovelia tivesse pequenas asas presas às pernas, como o deus grego Hermes”, disse o Dr. Ortega-Jimenez. “Pesquisas futuras são necessárias para determinar se os insetos de ondulação podem produzir da mesma forma que o impulso baseado em elevador com suas estruturas semelhantes a fãs, além da propulsão baseada em arrasto”.

Essa possibilidade é intrigante, porque as evidências sugerem que os besouros e os corvos -marinhos geram elevação hidrodinâmica para a propulsão de natação através de suas pernas peludas e pés palmados, respectivamente.

Além desses vórtices, os insetos de Rhagovelia também produzem ondas capilares simétricas durante a propulsão das pernas, que parecem ajudar na geração de impulsos, juntamente com fortes ondas de proa que se formam na frente do corpo.

De pé contra águas turbulentas

Os riachos naturais representam um desafio real, especialmente para pequenos animais que vivem e se movem na interface. Bugs de ondulação, aproximadamente do tamanho de um grão de arroz, devem navegar por águas altamente dinâmicas, onduladas e turbulentas, enquanto escapam de predadores, pegando presas e encontrando companheiros.

Os níveis relativos de turbulência que esses insetos suportam diariamente excedem em muito o que normalmente experimentamos durante a turbulência do avião. Surpreendentemente, o monitoramento de vinte e quatro horas desses bugs no laboratório revelou sua notável resistência.

“Eles literalmente remaram dia e noite durante toda a vida útil, apenas parando para mudar, acasalar ou se alimentar”, disse Ortega-Jimenez.

Essas condições instáveis ​​encontradas nos fluxos também representam uma dificuldade significativa para projetar micro-robôs interfaciais capazes de se mover efetivamente em águas tão imprevisíveis.

“When designing small-scale robots, it’s important to account for the specific environment in which they will operate—in this case, the water’s surface. By leveraging the unique properties of that environment, a robot’s performance and efficiency can be greatly enhanced. The Rhagobot, for instance, can travel quickly along a flowing stream thanks to its intelligent fan structure, which is powered by surface tension and the drag forces from the water surface,” said Jesung Koh.

Finalmente, essas descobertas podem ter implicações abrangentes para a robótica bioinspirada, particularmente no desenvolvimento de sistemas de monitoramento ambiental, microbots de busca e salvamento e dispositivos capazes de navegar interfaces de ar perturbadas com a destreza semelhante a insetos.