En grønt reker inspirerer en Robot Claw som skyter plasma


Pistol reker, aka snapping reker, er en merkelig motsetning. På bare noen få inches lang bruker den en proporsjonalt stor klo og en annen massiv som snaps med en slik kraft, den resulterende shockwaveen slår sitt bytte ut kaldt. Når de to brikkene kommer sammen, danner bobler og deretter raskt kollapser, skyter ut en kulde av plasma som igjen gir en blits av lys og temperaturer på 8000 grader Fahrenheit. Det er riktig – en undervannskjønn som passer i håndflaten din, kan med et flick av sin klo våpenne en spøkelse av sinnsykt varme bobler.

Nå lærer forskere hvordan man kan bruke denne formidable kraften selv. I dag i tidsskriftet Science Advances, forskere detaljer hvordan de modellerte en robotic klo etter pistol reker plasma pistol for å generere plasma av sine egne. Det kan finne en rekke undervannsoperasjoner, når forskere har slått sin versjon av en av evolusjonens merkeligste oppfinnelser.

Hvis alle pistolreker har en plasma-sprengnings hammer, ser hele verden faktisk ut som en negle. Det bruker sin klo å jakte, men også å kommunisere med korte snaps som måler en vanvittig 210 desibel. (En faktisk pistolskudd produserer rundt 150 desibel.) Noen arter bruker selv plasmablastene til å skjære ut biter av rev for ly. Resultatet er en havbunn som er så støyende, det kan faktisk forstyrre sonar.

Texas A & M mekanisk ingeniør David Staack skjønte at allsidighet kan komme til nytte for mennesker også. Teamet hans begynte med å få ahold av noen live pistol reker. Som andre leddyr, smelter disse dyrene periodisk, og eksploderer deres eksoskeletoner når de vokser. Disse eksoskeletene ga Staack en fin liten kaste av kløen, som han deretter skannet for å lage en detaljert 3D-modell. Dette sendte han ut til Shapeways, den kommersielle 3D-utskriftstjenesten, og fikk tilbake en plastversjon av pistolreksens plasmapistol.

Dette tillot Staack å eksperimentere med den unike strukturen til lemmen. Den øverste halvdelen av kløen, som rekerne henger tilbake og låser, inkluderer en "stempel", som slår seg inn i en "sokkel" i den nedre halvdelen av kløen. Dette skaper en flytende strøm av vann som produserer bobler, også kjent i denne situasjonen som kavitasjon.

"Det minnet oss om en musefelle," sier han. "Så vi faktisk gjorde noen eksperimenter der vi satte noen musefeller under vann bare for å se hvor fort den lille armen ville spinne mens du utløste den. Vi tok den musefelle ideen og brukte den som en måte å snap klaffen stengt. "

I Staacks versjon av klaven spinner den øverste halvdelen raskt på en fjærbelastet stang, og skaper nok kraft til å smelte stempelet inn i stikkontakten. Denne handlingen genererer en høyhastighets strøm av vann som igjen produserer en kavitasjonsboble, som i utgangspunktet er lavtrykk og relativt stor. Men så begynner det å kollapse.

"Vannet presser inn og skyver inn og skyver inn, og du får svært høye trykk og temperaturer," tilføyer han. Temperaturene er så høye at de skaper lysemitterende plasma, som du også kan se når pistolrekeren klemmer sin egen klo. "Da det forsøker å presse vannet tilbake, sender det ut en sjokkbølge." Det er slik at krepsdyret slår ut sitt bytte i naturen.

Støtebølger fra snapping av robotkloen.

David Staack

Den utrolig kraftige snapen produserer en kavitationsboble som kollapser og utsender lys.

David Staack

I laboratoriet brukte forskerne høyhastighets kameraer til å observere vannstrålen som brøt ut av kloen. De avbildet også de resulterende shockwaves, fange lysflammene som plasmaformene.

Pistolrekkene har ikke monopol på undervannsplasma-generering. Folk sveiser under vann ved hjelp av plasma, kjent som plasmabuesveising, noe som gir sterk varme. Og forskere kan også lage plasma i vann med lasere. Problemet er at disse midlene er ineffektive. Bruk av klo til å generere plasma er 10 ganger mer effektiv enn de tidligere utforskede metodene, ifølge Staack. Det vil imidlertid kreve mer utvikling å skalere.

Det kan vel bli enda mer effektivt, fordi forskerne ikke trenger å følge med på biologien til pistolrekningen. Faktisk oppdaget Staack at de kunne trimme ned størrelsen på den øvre delen av kløen. I selve pistolrekningen er den pæreaktig fordi den inneholder musklene som kreves for å betjene lemmen. Men denne robotversjonen er ikke begrenset av den biologien.

"Replikere hva dyret har gjort er det første skrittet," sier Stanford University biolog Rachel Crane, som bidro til å utvikle Ninjabot, en enhet som replikerer streiken av mantis reker, som på samme måte produserer kavitasjonsbobler. "Da kan du se på det og finne ut, ja, jeg trenger ikke en gigantisk muskel, og så kan jeg klippe denne delen ut. Da kan du konstruere et bedre system. "

Forskere kan til og med ønske å se tilbake til naturen for måter å justere systemet på. Hundrevis av arter av pistolrekker sniker seg bort der ute i havet, hver med sin egen unikt tilpassede klo. Det og selv individer innenfor en art varierer i deres morfologi.

"Substratet for evolusjon, den eneste grunnen til at vi snapper reker av alle disse forskjellige varianter i dag, er på grunn av individuell variasjon," sier dukebiologen Sheila Patek, som studerer streiken av mantisreken. Så mens forskerne kan lage sine egne tilpasninger til sin klorobot, kan de også trekke inspirasjon fra det iboende mangfoldet av pistolreker til å spille med klomorfologier, unntatt den de opprinnelig 3D-trykte.

Det mangfoldet kan en dag se en pistol-reker-inspirert enhet som brukes i en rekke felt. En tilnærming ville være å bruke klogen-genererte plasmaer til å bore gjennom stein, ettersom krepsdyret gjør det ute i naturen å lage et hjem i et rev. Eller du kan bruke systemet for vannrensing ved å bryte opp vann til dets bestanddeler, noe som danner et peroksid. Disse peroxidene kan da angripe organiske forurensninger i vannet, sier Staack. "Hvis du tenker på å rense kommunalt vann eller rense avløpsvann, blir effektiviteten svært viktig."

Og så finner pistolrekkene noen få negler.


Flere flotte WIRED-historier