Paper Digest: Ti Biomemekaniske dyreledd muliggjør ekstrem ytelse
Emily Reeves; 19. desember 2023. Oversatt herfra

Bilde 1. Fisk med flotte farger

I 2021, analyserte ingeniør og ID -talsmann, Stuart Burgess ti koblingsmekanismer i dyreledd og publiserte sin gjennomgang av deres mekaniske funksjoner i BioInpiration & Biomimetics -se video om temaet her. Han valgte dyre-ledd som fiske kjever, kneledd og fuglevinger på grunn av deres ekstraordinære ytelse, og det omfattende kunnskapsgrunnlaget om hvordan de fungerer. Som veteranmekanisk ingeniør er Burgess godt posisjonert til å vurdere mekanikken i dyreledd. Legg merke til hvordan han i utdraget nedenfor berømmer optimaliteten til dyreledd-utforming og bemerker potensialet i bioinspirasjon, fra å studere dyreledd:
-Ti forskjellige koblingsmekanismer presenteres. De er valgt fordi de dekker et bredt spekter av funksjonalitet og fordi de har potensiale for biominspirert design. Koblingsmekanismen muliggjør dyreledd for å utføre svært sofistikerte og optimaliserte bevegelser. En nøkkelfunksjon av dyrekoblingsmekanismer er optimalisering av aktuatorens plassering og mekanisk fordel. Dette er avgjørende viktig for dyr, der plassen er sterkt begrenset. Mange av designfunksjonene som brukes av ingeniører i koblingsmekanismer, sees i naturen, for eksempel korte koblingslenker, utvidede stenger, elastisk energilagring og låsemekanismer. Imidlertid inneholder dyreledd noen funksjoner som sjelden blir sett i prosjektering som integrerte CAM- og koblingsmekanismer, ikke-plane fire-stangs mekanismer, resonanshengsler og svært overflødige aktuatorer. Den ekstreme ytelsen til dyreledd sammen med de uvanlige designfunksjonene, gjør dem til et viktig undersøkelsesområde for bioinspirerte design.

Som sett hos 'Home Depot'
Du har kanskje lagt merke til en mekanisk koblingsmekanisme med fire stenger, hvis du så en saksheis mens du handlet hos Home Depot. Den fire-stangs koblingsmekanismen lar heisen strekke seg for å nå produkter i høye hyller. å kollapse saksheisen reduserte mengden plass heisen tar opp. Fire barkoblingsmekanismer har fire stenger og fire svingpunkter. Lengden på stengene kan variere så vel som hvordan stengene beveger seg i forhold til hverandre. Ved å bruke unike firestangs koblingsarrangementer, kan en ingeniør optimalisere mekaniske bevegelser. Nøkkelpunkter om hvorfor ingeniører bruker slike mekanismer inkluderer:
*Fire-stangs koblingsmekanismer kan øke kraften ved å bruke stenger i forskjellige lengder.
*De kan forbedre rotasjonen eller optimalisere komprimeringsretningen.
*De flytter aktuatorer bort fra leddet og gir en mekanisk fordel og senker energien som trengs for bevegelse.

I Burgess artikkelen er den første firestangs koblingsmekanismen som diskuteres pattedyrskneet-A-leddet som har blitt kritisert som dårlig designet. Som ingeniør er Burgess kjent med begrensninger og designavveininger. Så han diskuterer først hva pattedyrskne-kravene er. For å oppsummerer, sier han at kneet må gi et 120 graders bevegelsesområde, være lastelager og forhindre forstrekkelse. Han forklarer hvordan gjennom et smart design-en omvendt fire-stangs-mekanisme-alle disse forespørslene kan oppnås. Firestangsmekanismen muliggjør et stort forlengelsesområde, men har også et sluttstiling som låser kneet. Denne låsen reduserer mengden arbeid som musklene krever for å stå oppreist effektivt, og gjøre det lettere å stå opp. Fordi det er et bredt kontaktområde mellom lårbenet og tibia, kan belastninger overføres gjennom skjøten og boringen. I kneets firestangsmekanisme beveger rotasjonssenteret seg, som også gir fordeler. Når du sitter på huk, skifter rotasjonssenteret i kneledd, noe som reduserte muskelinnsatsen med 35 prosent når du reiser deg fra knebøyposisjonen. Hvis du trodde hukingen var vanskelig, kan du forestille deg hvor vanskelig det ville være uten dette strålende designet! Burgess påpeker at en bemerkelsesverdig begrensning for ledd av biologiske systemer er at de er begrenset fra å bruke en aksel inne i et hull, på grunn av en vekst- og utviklingsprosess. Denne relevante begrensningen gjelder ingeniører som jobber for å utvikle selvreplikerende maskiner.

Bilde 2. Ben og struktur i fuglevinge-ledd

Fuglevingeleddet
Den andre firestangs koblingsmekanismen som er diskutert er fuglevingeleddet. Har du noen gang lurt på hvordan fugler kan fly så lenge uten å bli sliten? Burgess påpeker at dette delvis skyldes den strålende prosjekteringen i aviær albueleddet, som muliggjør vingestikk og forlengelse. Burgess bemerker at ifølge forskning utført med måker, reduserer albuens vingeledd 12,3 prosent av fuglens behov for kraft under vingeslag.
Gresshopper, øyenstikkere og andre insekter genererer løft ved å klaffe og rotere vingene i bratte vinkler. Vingeslag skjer med en frekvens på 20 til 1000 slag- sykluser per sekund. Det er ingen overraskelse at denne organismen lager en slik surrende lyd! For å oppnå så rask bevegelse, er det åpenbart påkrevd noen utrolige hengsler. Burgess påpeker at mange insekt-vinger har en liten stang som en del av deres firestangs vingemekanisme som ender opp med å forstørre vingrotasjonen. Dette betyr at selv mindre bevegelser på insektets kropp kan forårsake en betydelig bevegelsesvinkel i vingen. Selvfølgelig må insektets kropp bygges riktig for å tillate slik mobilitet. Burgess påpeker også at vingeslag skjer med en resonansfrekvens, noe som reduserte treghetsenergien som kreves for betydelige vingeslag. Dette er bare mulig på grunn av insektets kroppsarkitektur.

Bilde 3. Mantis-reke slår ut byttet

En annen kategori av fire-stangs koblingsmekanismer Burgess diskuterer er fiskens kjever. Det første eksemplet han gir er en slyng-kjeve wrasse. Mens det skjer, eide mannen min og jeg en wrasse. HVORFOR? Med det formål å eliminere flatorm, snegler og andre ormer borte fra vårt ca 300 l saltvannsakvarium. Man kan ikke la være å sette pris på hvor utrolig godt designet Wrasse -munnen er. Begrepet "Slyng-kjeve" refererer til det faktum at disse fiskene kan kaste med kjevene. Burgess bemerker at en funksjon av designet er å fange byttedyr med en rask sugemetode. Det andre er at slyng-kjeveutformingen minimerer mengden svømming fisken må gjøre. å skyve kjeven fremover krever betydelig mindre energi enn å svømme fremover når maten er i nærheten. Som jeg var i stand til å observere, utvidet munnen på vår wrasse seg så raskt og langt at den gjorde fisken til en usedvanlig smidig jeger. I løpet av en måned etter å ha lagt wrasse til tanken vår, forble ingen skadedyr, alt takket være den utmerkede utformingen av slyng-kjeven.
Burgess beskriver også firestangs koblingsmekanismen til Mantis reker-en marin skapning som slår for å spise. Kraften produseres av en firestangs koblings-mekanisme koblet til et biologisk batteri. Når rekene er klar til å slå, slapper den av en muskel, sperren frigjøres, og den akkumulerte elastiske energien leverer 1000 N kraft. Det er flere størrelsesordener større enn organismens vekt.

Bilde 4. Ulike koblingsmekanismer i fiskekjever (Burgess)

En gave til ingeniører
For å konkludere, gir de fantastiske designstrukturene i organismer ingeniører inspirerende maler for å lage bedre produkter. Burgess gir tre spesifikke eksempler der direkte studie kan gi imponerende utbytte:
*Forbedret 3D -modellering av fugleinvingefuger har viktige implikasjoner for design av flysving.
*Kjevemekanismer kan føre til nye og forbedrede design for robot-tvinger .
*Slagmekanismen for Mantis reker kan inspirere til ny teknologi innen industrielt design.

Burgess oversikt er lastet ned over 8000 ganger og sitert 19 ganger. Det høye antallet nedlastinger og siterinnger antyder at det er en økende interesse blant forskere i å bruke naturens designmaler for å løse teknologiske utfordringer. Dette indikerer at biomimikk blir et stadig viktigere felt for innovasjon og avansement i forskjellige bransjer. Ved å studere vanskeligheter med naturlige mekanismer som firestangs koblinger, kan forskere få verdifull kunnskap om at for å forbedre menneskelig ingeniørpraksis. Denne tverrfaglige tilnærmingen oppmuntrer til kritisk tenkning og innovasjon, og vil endelig tjene forskjellige bransjer ved å inspirere til mer effektive og bærekraftige design.

Emily Reeves -Bilde 5

Emily Reeves er biologkjemiker , metabolsk ernæringsfysiolog og aspirerende Systembiolog. Doktorgradsstudiene hennes ble fullført ved Texas A&M University i biokjemi og biofysikk. Emily er for tiden aktiv i kliniken for metabolsk ernæring og ernæringsmessig genomikk ved Nutriplexity. Hun nyter å identifisere og designe ernæringsintervensjon for subtile innvendige metabolismefeil. Hun jobber også med Fellows of Discovery Institute og det større vitenskapelige samfunnet for å fremme integrering av ingeniørfag og biologi. Hun tilbringer helgene på å eventyr med mannen sin, brygger Kombucha og løper i nærheten av Puget Sound.

Oversettelse via google-oversetter og bilder ved Asbjørn E. Lund