Als het gaat om dingen die ultrasnel en lichtgewicht zijn, robots kunnen geen vat hebben op de snelst springende insecten en andere kleine maar krachtige wezens.

Nieuw onderzoek kan helpen verklaren waarom de natuur nog steeds robots verslaat, en beschrijft hoe machines het voortouw kunnen nemen.

Neem de spetterende bidsprinkhaangarnalen, een kleine schaaldier niet veel groter dan een duim. Zijn hamerachtige monddelen kunnen herhaaldelijk 69 mijl per uur meer dan 100 keer sneller dan een oogwenk leveren om harde slakkenhuizen open te breken.

Of de bescheiden valkaakmier:in een matchup van nul tot 60, zelfs de snelste dragster zou weinig kans hebben tegen zijn brekende kaken, die in minder dan een milliseconde snelheden van meer dan 140 mijl per uur bereiken om hun prooi te vangen.

Een van de snelste versnellingen die op aarde bekend is, is de angel van de hydra. Deze zachte waterdieren verdedigen zichzelf met behulp van capsules langs hun tentakels die werken als ballonnen onder druk. Wanneer geactiveerd, ze vuren een spervuur ​​van microscopisch kleine gifsperen af ​​die 100 keer sneller accelereren dan een kogel.

In een onderzoek dat op 27 april in het tijdschrift verschijnt Wetenschap , onderzoekers beschrijven een nieuw wiskundig model dat kan helpen verklaren hoe deze en andere kleine organismen hun krachtige aanvallen genereren, hap, sprongen en stoten. Het model zou ook manieren kunnen suggereren om kleine, op de natuur geïnspireerde robots die qua kracht of snelheid dichter bij hun biologische tegenhangers komen.

Het geheim van de explosieve bewegingen van deze organismen zijn niet de krachtige spieren, maar eerder veerbelaste delen die ze kunnen spannen en loslaten als een boogschutter, zei Sheila Patek, universitair hoofddocent biologie aan de Duke University.

Stevige maar flexibele pezen, nagelriemen en andere elastische structuren strekken zich uit en laten los als katapulten, hun sprongen en snaps aandrijven.

Een insect met korte poten, de Froghopper genaamd, bijvoorbeeld, heeft een boogachtige structuur, de pleurale boog genaamd, die als een veer werkt. Klinkachtige uitsteeksels op hun benen regelen het loslaten, waardoor ze ondanks hun korte benen meer dan 100 keer hun lichaamslengte kunnen springen. Een persoon met zoveel kracht kan bijna twee voetbalvelden springen.

Echter, het is niet duidelijk hoe deze mechanismen samenwerken om de macht te vergroten, zei Mark Ilton, een postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Massachusetts Amherst.

Terwijl traditionele wiskundige prestatiemodellen rekening houden met de inherente fysieke compromissen van spieren - die krachtig kunnen samentrekken, of snel, maar niet beide - ze houden ook geen rekening met de afwegingen die inherent zijn aan veren en grendelachtige mechanismen. Met andere woorden, niets kan sneller, sterker, en krachtiger tegelijk.

"Tot nu toe waren deze andere componenten meestal black-boxed, ' zei Patek.

De onderzoekers ontwikkelden een wiskundig model van snelle beweging op kleine schaal met beperkingen op veren en vergrendelingen.

"Een deel van ons doel was om te proberen een model te ontwikkelen dat even generaliseerbaar is voor biologische of technische systemen, " zei Manny Azizi, een assistent-professor ecologie en evolutionaire biologie aan de Universiteit van Californië, Irvine die springende kikkers bestudeert.

Eerst, ze verzamelden gegevens over de grootte en topsnelheden en versnellingen voor 104 soorten elite planten- en dierenatleten. Ze vergeleken de gegevens met vergelijkbare metingen voor miniatuurrobots, geïnspireerd door ultrasnelle bewegingen zoals het ontvouwen van kameleontongen, het breken van Venus vliegenvallen en hoppende insecten.

Door de prestatieafwegingen van biologische en synthetische veren en vergrendelingen op te nemen, hopen de onderzoekers beter te begrijpen hoe variabelen zoals veermassa, stijfheid, materiaalsamenstelling en grendelgeometrie werken samen met spieren of motoren om kracht te beïnvloeden.

Met het model kunnen onderzoekers een reeks veer-, grendel- en spier- of motorparameters en krijg details terug over de theoretische maximale snelheid van een persoon, versnelling, en andere aspecten van prestatie bij een bepaald gewicht.

Het model heeft grote implicaties voor ingenieurs. Het suggereert dat robots gedeeltelijk nog niet uit een vlo kunnen springen omdat ze zo snel, herhaalbare bewegingen vereisen dat componenten voortreffelijk op elkaar worden afgestemd.

Maar het model geeft onderzoekers een hulpmiddel om kleine, snel bewegende robots met nauwkeuriger op elkaar afgestemde componenten die beter samenwerken om de prestaties te verbeteren, zei Sarah Bergbreiter, een universitair hoofddocent werktuigbouwkunde aan de Universiteit van Maryland die springrobots ter grootte van een mier maakt.

"Als je een robot van een bepaald formaat hebt die je wilt ontwerpen, bijvoorbeeld, het zou je in staat stellen om beter te ontdekken wat voor soort lente je wilt, wat voor motor je wilt, wat voor soort vergrendeling je nodig hebt om de beste prestaties te krijgen op die schaal, en de gevolgen van die ontwerpkeuzes begrijpen, ' zei Bergbreiter.

Voor biologen, het model kan ook worden gebruikt om de boven- en ondergewichtslimieten van verschillende groepen veer-aangedreven organismen te bepalen, gegeven variabelen zoals van welke elastische materialen hun lichaam is gemaakt, zei Aziz.