Tails de mamíferos oferecem insights de design surpreendentes

Ao explorar a melhor forma de projetar robôs que usam o Tails para reorientar seus corpos no ar, uma equipe de pesquisadores da Universidade de Michigan e da Universidade da Califórnia em San Diego descobriu que os mamíferos já haviam descoberto como fazer mais com menos.

Eles dizem que a abordagem de simulação informará o design de robôs com caudas mais leves, mas mais eficazes – e iluminará como os animais usam os princípios da física para manobrar.

“A natureza desenvolveu essencialmente dois tipos de caudas de vertebrados. As caudas pesadas e musculosas dos lagartos são capazes de reorientar o corpo em um plano de rotação e inspiraram muitos robôs de cauda rígida”, disse Talia Moore, professora assistente de robótica e correspondente autor do estudo no Jornal da interface da Royal Society.

“À primeira vista, as caudas leves e acionadas por tendões de mamíferos como gatos pareciam ser menos eficazes em girar o corpo. Mas percebemos que as caudas de mamíferos poderiam formar curvas mais complexas, 3D, e muitos mamíferos parecem ser capazes de rotações corporais induzidas pela cauda da mesma forma. ”

Mais de uma década atrás, Moore tentou estudar se Jerboas, roedores do deserto de cauda longa que pulam em duas pernas, usavam suas caudas para esse fim. Mas a equação usada para descrever o movimento da cauda ignorou as maneiras pelas quais as caudas de mamíferos se curvam e açoitam – e também disse que uma jerboa poderia mover a cauda rápido o suficiente para girar seu corpo. Ela deixou a pergunta de lado.

Então Xun Fu, um estudante de doutorado no grupo de Moore na época, queria projetar um robô com uma cauda. Eles revisitaram o problema com simulações de computador detalhadas projetadas para explorar como as juntas da cauda afetam a capacidade de girar um corpo no espaço. A equipe diz que seu estudo é o primeiro a comparar a eficácia de diferentes apêndices complexos para torcer e girar o espaço 3D por meio de simulações.

Em particular, eles queriam saber se aumentar o número de segmentos ósseos e a variação de seus comprimentos melhoraria a capacidade de uma cauda de girar o corpo. A equipe estabeleceu desafios: apenas com o movimento da cauda, ​​um corpo semelhante a uma caixa deve se reorientar, virando e girando em um espaço zero-g.

Cada cauda foi julgada por quão perto seu corpo chegou a cada gol. Para manter as caudas em campo de nível, a equipe limitou quanto esforço total eles poderiam usar para mudar sua posição – em caudas com vários segmentos, o esforço máximo resumido em todas as juntas foi igual ao esforço máximo gerado na junta única a partir de que a cauda de um segmento foi controlada.

“Não sabíamos como seriam os resultados ao explorar o impacto de diferentes configurações da articulação da cauda, ​​principalmente ao permitir que a duração dos ossos individuais varie como parte do processo de otimização”, disse Fu, primeiro autor do estudo e agora um Robótica Ph.D. diplomado.

Com a ajuda de Ram Vasudevan, professora de robótica e estudante de doutorado em robótica Bohao Zhang, a equipe usou o modelo para descobrir a estrutura da cauda otimizada para induzir rotações corporais: tinha o número máximo de segmentos, começando com um osso curto, alonga rapidamente até o osso mais longo e depois gradualmente diminuindo em direção à ponta da cauda.

Moore e Fu procuraram colaboradores com base na UCSD, que estavam explorando espécimes de museus de ossos da cauda de mamíferos. Nos dados da UCSD, quase todos os mamíferos que dependem da reorientação do ar mostrou um padrão semelhante de comprimentos ósseos.

“Os esqueletos de cauda de mamíferos são tão diferentes um do outro, e agora podemos dizer que esse tipo específico de cauda evolui para facilitar a manobra inercial. Estamos ansiosos para ver como outros tipos de caudas se movem”, disse Ceri Weber, um pesquisador de pós -doutorado que trabalha com Kimberly Cooper, professor de biologia celular e de desenvolvimento da UCSD.

Moore sugere que simulações como as deles podem ser estendidas para comparar a eficácia de mover braços, pernas ou asas em formas complexas e 3D, a fim de torcer e girar no ar, manter o equilíbrio e muito mais. Os resultados podem esclarecer a biomecânica de humanos e animais, além de orientar o design dos robôs.

“O padrão de uma distribuição de comprimento do crescendo-desrescendo nas caudas otimizadas, como o que os biólogos observaram em certas caudas de mamíferos, foi surpreendente e intrigante”, disse Fu. “De certa forma, acho que isso destaca o quanto ainda mais precisamos descobrir sobre esses animais para realmente preencher a lacuna entre biofísica e desempenho robótico”.