Впервые команда исследователей объединила принципы мягкой робототехники и палеонтологии для создания версии мягкого плевроцистита. Это древнее морское существо, жившее на нашей планете 450 миллионов лет назад.
Плевроциститы родственны современным иглокожим, таким как морские звезды и хрупкие звезды. Этот организм имеет большое значение в эволюции, поскольку считается первым иглокожим, способным двигаться: он использовал мускулистый стебель, чтобы передвигаться по морскому дну.
Но за неимением окаменелостей ученые никогда не понимали, как организм на самом деле использовал стебель для передвижения под водой. «Хотя его жизненные привычки и достаточно хорошо понятные, механизмы, контролирующие движение его стебля, очень противоречивы», — отмечают авторы ранее опубликованного исследования, посвященного стебле иглокожих.
Недавно разработанная реплика мягкого робота (также называется «Ромбот») плевроцистита позволила исследователям расшифровать движение организма и разные другие тайны, связанные с эволюцией иглокожих.
В своем исследовании они также утверждают, что реплика послужит основой палеобионики относительно новой отрасли, которая использует мягкую робототехнику и окаменевшие доказательства для исследования биомеханических различий между формами жизни.
Есть много причин, почему ученые не пытаются создать программную версию чего-нибудь такого же старого, как плевроцистит. Понять, как двигался организм, сложно, поскольку современного аналога нет. Кроме того, ископаемые остатки дают лишь ограниченную информацию о том, как организм двигался. Например, некоторые исследователи предполагают, что плевроцистит плавал, другие утверждают, что он демонстрировал черепные или синусоидальные движения.
Чтобы преодолеть эти проблемы, исследователи работали с палеонтологами, специализирующимися на иглокожих. Они собрали изображение окаменелостей, компьютерную томографию и все другие доказательства, которые смогли найти, а затем использовали эти данные для разработки тела и стебля плевроцистита. Впоследствии они применили литье эластомера и 3D-печать, чтобы создать разные части робота.
Когда они попытались заставить работу двигаться с помощью стебля как настоящий плевроцистит, они столкнулись с другой проблемой. «Мягкий привод использовал нитиноловую проволоку (металлический сплав, помнящий свою форму), которая часто выгорала и постоянно растягивалась. Для этого потребовалось сделать много стеблей (было изготовлено почти 100 стеблей) и заменить их, когда они вышли из строя, сказал Ричард Десатник, ведущий исследователь и аспирант Университета Карнеги-Меллона (CMU).
Было также сложно воспроизвести мягкую мышечную ножку плевроциститов, поскольку исследователи не могли использовать обычные двигатели, слишком громоздкие и жесткие. Вместо этого понадобилось использовать специальную «искусственную мышечную» проволоку, состоящую из сплава никеля и титана, который сокращается в ответ на электрическую стимуляцию, добавил Кармел Маджиди, старший автор исследования и профессор машиностроения в CMU.
Затем исследователи провели несколько симуляций, чтобы увидеть, как Rhombot будет двигаться под водой. Они обнаружили, что длинный стебель обеспечивает лучшее движение. Согласно исследованию, это согласуется с окаменелостью, свидетельствующими об эволюции плевроциститов в направлении удлинения стеблей.
После изучения симуляции исследователи поместили работу в аквариум размером примерно метра на метр с поверхностью дна, похожей на морское дно. Они провели несколько тестов, каждый из которых продлился две минуты, чтобы проверить движение робота.
«Мы продемонстрировали, что широкое размашистое шествие могло быть самым эффективным для этих иглокожих и что увеличение длины стебля могло значительно увеличить скорость с минимальными дополнительными затратами энергии», — отмечают исследователи в своем исследовании.
Создание функциональных копий вымерших древних существ с помощью палеобионики звучит довольно интересно, но что работы могут поведать нам, чего не могут поведать ископаемые останки?
Маджиди объяснил, что, сосредотачиваясь только на работах, вдохновленных существующими видами, ученые могут упускать большую возможность узнать о биологических и эволюционных принципах, руководивших жизнью многих других форм жизни.
Согласно оценкам, современные живые организмы составляют лишь 1 процент всей жизни, когда-либо существовавшей на Земле. «Мы можем начать учиться у 99 процентов видов, которые когда-то бродили по земле, вместо 1 процента. Есть много существ, которые были успешными в течение миллионов лет и вымерли из-за резких изменений в окружающей среде, сказал Маджиди.
Копии ископаемых существ в виде мягких роботов дают палеонтологам мощный инструмент для создания экспериментальных стендов для изучения гипотез о том, как эти древние формы жизни двигались и эволюционировали.
