Le «Laboratoire Crab» Met La Lumière Sur La Navigation Sur Des Terrains Difficiles

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La façon dont les animaux se déplacent dans des environnements complexes est une question importante qui concerne plusieurs domaines, dont la robotique.

Cet article intitulé Behind the Scenes a été fourni à WordsSideKick.com en partenariat avec la National Science Foundation.

Le physicien Daniel Goldman et ses collègues du Georgia Institute of Technology ont mis en lumière un sujet relativement peu exploré: la manière dont des organismes tels que les tortues de mer et les lézards se déplacent sur le sable (ou à l'intérieur de celui-ci). Si vous avez déjà eu du mal à marcher avec un minimum de grâce sur une plage de sable fin, vous pouvez apprécier la question. Les réponses découvertes par le "laboratoire CRAB" de Goldman (laboratoire de rhéologie et de biomécanique complexes) - avec l'aide d'animaux vivants et de robots biologiquement inspirés - permettent d'approfondir notre compréhension de la survie, de l'évolution et de l'écologie des animaux, mais aussi, potentiellement, de l'évolution des complexes. formes de vie sur Terre. Les travaux de recherche du laboratoire contribuent également à la conception et à l'ingénierie de robots devant traverser des terrains instables et inégaux, par exemple ceux utilisés dans les opérations de recherche et de sauvetage sur les lieux d'une catastrophe.

Goldman a d'abord étudié les propriétés du sable, qui peut agir comme un solide, un fluide ou même un gaz, alors qu'il était étudiant au doctorat en physique à l'Université du Texas à Austin. Par la suite, en tant que post-doctorant au biologiste Robert J. Full (un chef de file dans le domaine des robots inspirés par la nature) au laboratoire de l’Université de Californie à Berkeley, il a contribué à l’étude de la locomotion sur des terrains complexes, comme l’escalade de surfaces verticales de cafards, par exemple. ou des araignées courant sur des surfaces avec peu de pieds. Wyatt Korrf, un collègue de recherche, s'intéressait au mouvement sur un autre type de terrain complexe: des médias granulaires et changeants. Goldman est devenu accro et les deux hommes ont commencé à travailler ensemble. "Certaines des idées et des outils que nous avons développés à l'époque ont été incroyablement utiles dans mes recherches actuelles et initiales, en particulier les lits fluidisés à l'air comme moyen de contrôler les propriétés du sol", a déclaré Goldman.

Pour un étudiant ou un amateur de bestioles, le travail de Goldman pourrait sembler être un rêve. Il a travaillé avec une grande variété d'habitants du désert et d'autres animaux, notamment des geckos, des lézards à queue de zèbre, des sidewinders, des crabes fantômes, des sébastes à sable, des scorpions des vents, des araignées tisserandes et des tortues de mer hachureuses. Au laboratoire et sur le terrain, ses collègues et lui-même observent ces animaux alors qu’ils rampent, rampent, marchent, courent, rampent et se transportent d’une autre manière sur des matières granulaires. Les chercheurs trouvent des détails précis - les épines flexibles sur les jambes d'une araignée qui semblent faciliter le mouvement sur un treillis métallique, par exemple, ou la façon dont un serpent s'aplatit lorsqu'il gravit une pente. Ensuite, ils conçoivent des robots avec les éléments physiques et les schémas de mouvement sur lesquels ils veulent en savoir plus. À l'aide de ces tests, ainsi que de simulations et d'analyses informatiques, l'équipe peut développer, contester et affiner des hypothèses liées aux principes de physique inspirés par les mouvements des animaux.

À ce jour, le groupe de personnages de robots du laboratoire CRAB comprend un robot modelé d'après les bébés tortues de mer, ainsi qu'un robot à poisson de sable.

Flipperbot

Récemment, l’équipe a étudié des tortues de mer nouvellement écloses se jetant de la plage à la mer - un voyage périlleux que beaucoup d’entre nous ont vu dans des émissions télévisées sur la nature. "Les meilleurs robots que les gens conçoivent et construisent ne peuvent rivaliser avec une tortue marine naissante dont la vie consiste à nager tout le temps et à utiliser ces appendices à terre pendant seulement une demi-heure, à la sortie du nid. Si une femme parvient à l'âge adulte elle utilisera à nouveau des nageoires, bien sûr, pour pondre des œufs », a déclaré Goldman. Pour cette étude, la chercheuse du laboratoire CRAB, Nicole Mazouchova, et le technicien de recherche, Andrei Savu, se sont rendus avec un laboratoire mobile à Jekyll Island, en Géorgie. Ils ont enregistré sur vidéo les mouvements des nouveau-nés sur la plage et sur un banc d'essai portable. En analysant les vidéos de retour au laboratoire, ils ont constaté que, sur un sable plus compact, les bébés tortues utilisaient leurs nageoires comme jambes de force et pour pivoter. Sur un sable plus meuble, les tortues s'enfonçaient plus profondément et pliaient les poignets. Avec l’aide de Flipperbot (un robot à palmes), un banc d’essais rempli de graines de pavot, ainsi que la modélisation théorique de l’ingénieur en mécanique Paul Umbanhowar de la Northwestern University (qui a également contribué à la fabrication du «bot»), l’équipe a confirmé La flexion des poignets des tortues les a aidées à éviter de glisser et à garder leur corps au-dessus du sable, réduisant ainsi les frictions et la traînée. Le modèle a révélé que creuser plus profondément dans plus de sable offrait une plus grande efficacité, empêchant le substrat de céder sous le pied. "Nous avons trouvé que la tortue était extrêmement sensible à la profondeur à laquelle elle enfonçait ses nageoires et qu'elle faisait mieux quand elle pliait les poignets", a déclaré Goldman. Ils ont également découvert que les tortues (et Flipperbot) étaient sérieusement gênées lorsqu’elles essayaient de naviguer dans le sable déjà perturbé par les mouvements.

Flipperbot - dont les mouvements sont étonnamment gracieux - est le premier robot modelé sur des tortues de mer et testé sur des matériaux granulaires. Ses travaux pourraient un jour aider les ingénieurs à concevoir des robots plus agiles et à faire progresser notre compréhension de l’évolution de la Terre, en particulier des premiers marcheurs à émerger de la mer. "Il y a beaucoup de spéculations sur les mécanismes qui ont permis aux premiers animaux de marcher sur la terre", dit Goldman. "Ils avaient des nageoires en forme de main ou des pieds semblables à des nageoires et personne ne sait en détail comment ils auraient interagi avec des substrats fluides (comme de la boue et du sable)", dit-il. "Nous sommes attentifs aux problèmes biologiques des organismes existants, mais également à ceux qui auraient pu vivre dans le passé. Si vous regardez les gazelles, les guépards, ces animaux sont incroyablement agiles sur le sol terrestre, et ils proviennent de choses qui n'avaient pas de concept de terrestre. sol."

Le laboratoire du CRAB étudie comment des animaux comme ce poisson-sable se déplacent dans le sable. Les résultats sont pertinents pour la robotique, entre autres domaines d'étude

Le laboratoire du CRAB étudie comment des animaux comme ce poisson-sable se déplacent dans le sable. Les résultats sont pertinents pour la robotique, entre autres domaines d'étude

Crédit: Daniel Goldman.

Les conclusions de Flipperbot pourraient également être utiles, par exemple en informant les stratégies de conservation des tortues de mer.

Robot de poisson

Dans diverses études, l'équipe de Goldman a découvert des modèles qui pourraient aider l'ingénierie de robots de recherche et de sauvetage conçus pour se déplacer dans des piles de débris et des épaves. Cela a confirmé, par exemple, ce que les scientifiques soupçonnaient depuis longtemps: la tête ciselée du poisson, un lézard trouvé en Afrique du Nord, l’aide à plonger sous terre. Des tests de robot ont montré que la forme de la tête angulaire réduit non seulement la traînée, mais génère également des forces de portance plus importantes. En utilisant des rayons X pour révéler comment le poisson de sable se déplace sous la surface, les chercheurs ont découvert que pour échapper aux prédateurs, le petit lézard repliait ses membres près de son corps et ondulait dans le sable - il ressemblait à un vrai nageur. Le sandfish utilise un motif de vagues cohérent de la tête à la queue qui pousse son corps contre le sable et génère un mouvement en avant. Ce type d'onde optimise la vitesse et l'utilisation d'énergie.

Dans une étude plus récente portant sur un robot à six pieds, l'équipe a utilisé la technologie d'impression 3D pour créer des jambes de formes et d'orientations physiques différentes. Elle a également appris que les jambes de robot convexes en forme de lettre "C" fonctionnaient mieux.

Développement de 'terradynamics'

Il peut être tentant de considérer les robots uniques du laboratoire CRAB comme une fin en soi plutôt que comme un moyen de recherche. Mais les machines sont d’abord un moyen de développer et de confirmer des hypothèses, explique Goldman. Le laboratoire, financé en partie par les programmes Physique des systèmes vivants et Systèmes dynamiques de la National Science Foundation, identifie régulièrement les principes de base permettant de faire progresser de manière significative la compréhension du fonctionnement des objets sur ou dans des milieux granulaires. "L'idée est de commencer à développer une terradynamique - équivalente à l'aérodynamique et à l'hydrodynamique - qui nous permettra de prédire la mobilité des périphériques dans ces environnements complexes", a déclaré Goldman.

Le laboratoire a récemment connu du succès dans terradynamics, en publiant un article en Science il décrit une nouvelle approche permettant de prédire comment des robots à petites jambes se déplacent sur du sable ou d’autres matériaux fluides. L'approche utilise les forces (telles que la traînée) appliquées à des éléments indépendants des jambes du robot pour obtenir une mesure de la force nette sur un robot (ou un animal) en mouvement. "Le lézard nageant dans le sable nous donne une compréhension large derrière tous les animaux nageant dans de vrais fluides", dit Goldman. "L'analyse du poisson de sable s'avère être suffisamment simple pour que nous puissions l'utiliser comme base de référence pour comprendre les autres nageurs."

Quelles études spécifiques sont à venir pour le laboratoire Georgia Tech? Dans un avenir rapproché, l’équipe testera et affinera les modèles théoriques s’appliquant aux jambes et aux roues glissant dans un matériau fluide. Ils effectueront également des expériences pour en apprendre davantage sur le sable humide par rapport au sec. Et troisièmement, ils se pencheront sur la physique lorsque des équipes d’organismes, telles que des fourmis rouges, se déplacent et creusent dans des terrains complexes.

En savoir plus sur les recherches du laboratoire CRAB

Note de l'éditeur: Les chercheurs décrits dans les articles de Behind the Scenes ont été soutenus par le Fondation nationale de la science, organisme fédéral chargé de financer la recherche fondamentale et l’éducation dans tous les domaines des sciences et du génie. Les opinions, conclusions et conclusions ou recommandations exprimées dans ce document sont celles de l'auteur et ne reflètent pas nécessairement le point de vue de la National Science Foundation. Voir le Dans les coulisses des archives.


Supplément Vidéo: DP204IVD.




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