Робототехникам на заметку: регулируемые волосатые пальцы помогают гекконам бегать боком по стенам

Эксперименты показывают, что роботам для лазания могут быть полезны гибкие, покрытые волосками пальцы, как у гекконов, которые могут быстро подстраиваться под смещающийся вес и скользкие поверхности.

Биологи из Калифорнийского университета в Беркли и Нанкинского университета аэронавтики и астронавтики наблюдали, как гекконы бегают горизонтально по стенам, чтобы понять, как они используют свои пять пальцев для компенсации разных типов поверхностей, не замедляясь.

Как показали предыдущие исследования, пальцы гекконов могут прилипать к самым гладким поверхностям благодаря межмолекулярным силам (силам Ван-дер-Ваальса) и отклеиваться за миллисекунды. На каждой лапе у них до 15 000 волосков, и каждый волосок имеет множество наноразмерных окончаний, обеспечивающих тесный контакт с поверхностью.

Одна из загадок заключалась в том, что пальцы геккона прилипают только в одном направлении. Они цепляются при движении в одну сторону, но отклеиваются при движении в противоположную. Тем не менее, гекконы двигаются ловко в любой ориентации.

Чтобы определить, как гекконы справляются со смещающимися силами при движении по разным поверхностям, исследователи заставили гекконов бежать боком по вертикальной стене, снимая это на высокоскоростную камеру. Боковое движение позволило отделить силу тяжести от силы движения вперёд и лучше проверить идею компенсации пальцами.

С помощью метода, называемого фрустрированным полным внутренним отражением, также измерялась площадь контакта каждого пальца. Метод заставлял пальцы светиться при касании поверхности.

К удивлению исследователей, гекконы бежали боком так же быстро, как и карабкались вверх, легко и быстро переориентируя пальцы против силы тяжести. Пальцы верхних передней и задней лап во время бега боком по стене смещались вверх и действовали так же, как пальцы передних лап при лазании.

Для дальнейшего изучения ценности регулируемых пальцев исследователи добавили скользкие участки и полосы, а также неровные поверхности. Чтобы справиться с этими препятствиями, гекконы использовали преимущество наличия нескольких мягких пальцев. Избыточность позволяла пальцам, которые всё ещё контактировали с поверхностью, переориентироваться и распределять нагрузку, а мягкость позволяла им подстраиваться под неровности.

«Пальцы обеспечивали ловкое передвижение, распределяя управление между несколькими, податливыми, избыточными структурами, которые снижают риски движения по сложной местности», — сказал Роберт Фулл. «Распределённое управление показывает, как биологическую адгезию можно использовать более эффективно, и предлагает идеи для дизайна новых ног роботов, захватов и манипуляторов».

Результаты исследования опубликованы на этой неделе в журнале Proceedings of the Royal Society B.