Ученые из Итальянского технологического института и Национального университета Сингапура выяснили, почему хобот азиатского слона одновременно остается очень сильным и удивительно точным инструментом. Полученные данные могут помочь в создании новых роботизированных захватов с развитым осязанием.
Хобот слона не содержит костей и управляется примерно 40 тыс. мышц. Несмотря на это, животное может как переносить тяжелые бревна, так и выполнять тонкие действия вроде очистки банана от кожуры. Именно такая универсальность давно привлекает разработчиков мягких роботов. Исследование показало, что разные части хобота работают по-разному. Верхняя сторона примерно в три раза жестче нижней. Нижняя часть легче деформируется, поэтому может плотно обхватывать предметы разной формы и увеличивать площадь контакта. Благодаря этому слон надежно удерживает как крупные, так и небольшие объекты.
Под поверхностью этой гибкой области находятся особые структуры из соединительной ткани — дермальные папиллы. С помощью компьютерного моделирования ученые выяснили, что они направляют механическую нагрузку к чувствительным нервным окончаниям и усиливают сигнал от прикосновения.
Фактически папиллы работают как естественные усилители чувствительности. Они помогают слону точнее ощущать предметы без каких-либо электронных датчиков. Исследователи считают, что этот принцип можно использовать при создании роботов, которым нужно одновременно бережно удерживать объекты и точно определять их форму и положение.
Материал для анализа получили от взрослого азиатского слона, погибшего по естественным причинам в цюрихском зоопарке в 2020 году. Команда отобрала 35 образцов кожи с разных участков хобота и провела биомеханические испытания, гистологию и несколько видов визуализации, например, световую микроскопию и микротомографию. Полученные данные легли в основу вычислительной модели, воспроизводящей поведение тканей под нагрузкой.
Хобот — один из самых многофункциональных органов среди млекопитающих, он одновременно выполняет роль руки, носа и губ. Слоны всасывают им до 10 л воды за один раз и при этом способны подобрать монету с земли. Авторы предлагают перенести найденную биологическую логику в робототехнику. Жесткий внешний слой защищает конструкцию от износа, а внутренние структуры, аналогичные папиллам, усиливают слабые тактильные сигналы, причем датчикам не нужно напрямую касаться поверхности объекта. Это открывает возможности для создания захватов, которые одинаково хорошо работают с хрупкими и тяжелыми предметами.
Ранее мы писали о том, как уши слонов вдохновили ученых на создание энергоэффективных зданий.
Источник: hi-tech.mail.ru