«Мы хотели выяснить, как движется насекомое-палочка, и какие функции отдельных частей ноги играют в его движении», — объясняет профессор доктор Йозеф Шмитц, который вместе с профессором доктором Фолькером Дурром руководит докторской диссертацией Криса Даллмана. «Удивительно, но сила для движения и поддержания позы тела исходит от одного и того же сустава. Этот сустав служит силовой единицей и создает наибольшее количество силы в ноге.
Остальные суставы ног служат, в некотором смысле, как элементы управления, которые перенаправляют энергию таким образом, что насекомое может как удерживать себя над землей, так и двигаться вперед », — говорит Даллманн. «Подобный принцип действует, например, в полете насекомых, где мощные мускулы обеспечивают основную силу, которая затем перенаправляется меньшими управляющими мускулами для подъемной силы и сопротивления. Этот принцип функционального разделения, по-видимому, выдержал испытание эволюцией».До недавнего времени биологи всего мира считали, что сила для движения вперед палочника исходит от сустава, который перемещает ногу назад. «Причина этого неверного предположения заключалась в том, что методы измерения были недостаточно точными», — объясняет Йозеф Шмитц. «Насекомые-палочники весят всего около одного грамма. Из-за их сверхлегкого веса ранее было очень сложно подсчитать, сколько силы прилагает отдельный сегмент ноги».
Даллманн работает в исследовательской группе биологической кибернетики, которая входит в группу участников CITEC и возглавляется Фолькером Дурром с биологического факультета. Dallmann также вносит свой вклад в дальнейшее развитие шагающего робота Hector, вдохновением для которого послужило движение палочного насекомого.Исследовательская группа биологической кибернетики разработала новую технику, которая хорошо работает при сверхлегком весе палочника.
Он с высокой точностью измеряет силы, действующие на землю всей ногой. Он также измеряет, как нога движется в пространстве с высоким временным разрешением. «Объединив оба типа данных, я могу вычислить, сколько силы прилагает каждый отдельный сустав», — объясняет Даллманн. Таким образом, Даллманн может продемонстрировать, какой сустав движет движением, а какой просто перенаправляет силу.
Каждая из шести лапок палочника движется в основном с помощью трех суставов. Эти суставы соединены с телом насекомого L-образным образом. Тазобедренный сустав (соединение грудной клетки и тазобедренного сустава), вокруг которого нога движется назад, соединяет ногу с телом.
Второй тазобедренный сустав (тазобедренный сустав) соединяет бедро с бедром. Вокруг этого сустава нога движется вниз. Наконец, коленный сустав (бедро-большеберцовая кость) соединяет бедро с голенью и перемещает ногу наружу.Чтобы выяснить, сколько силы создают суставы ног палочника, Даллманн заставил своих насекомых ходить по дорожке со встроенными платформами.
Датчики на платформах регистрировали давление, а также боковые силы, оказываемые ногами насекомого. В то же время Даллманн записал ходьбу насекомого с помощью системы захвата движения. Система Vicon использует инфракрасные камеры для записи движения 17 небольших отражателей (маркеров), которые прикреплены к экзоскелету палочника. «Когда мы объединили измерения, полученные на основе движений насекомого и сил реакции земли, стало ясно, что движущая сила не возникает из тазобедренного сустава, вокруг которого нога движется назад», — объясняет Даллманн. «Вместо этого движущая сила автоматически возникает из-за сильного давления на бедро, которое поддерживает тело».
До недавнего времени исследователи считали, что давление на бедро служит только опорой для тела.Эти новые результаты не только повлекут за собой пересмотр учебников, но и будут протестированы на роботе Гектор, созданном на основе насекомого-палочки. «Робот похож на палочника и оснащен эластичными суставами ног», — говорит Крис Даллманн. «Теперь мы хотим проверить, какие преимущества дает наличие одного сустава, контролирующего как рост тела, так и тягу, как показано в биологическом аналоге».В своей докторской диссертации Крис Даллманн рассматривает вопрос о том, как палочники адаптируются к своей среде обитания. Он является членом Высшей школы CITEC с конца 2013 года.
Высшая школа CITEC была основана в 2008 году для получения дополнительной академической квалификации в области технологий когнитивного взаимодействия в Университете Билефельда. В настоящее время аспирантура насчитывает около 100 членов.