Bí ẩn loài tôm bọ ngựa có cú đấm nhanh hơn đạn bắn, khiến khoa học cũng phải đầu hàng

administrator

Administrator
Nhân viên
9 Tháng tám 2021
13
0
1

Một lần nữa, các nhà khoa học lại thất bại trong việc mô phỏng cú đấm tuyệt vời của tôm bọ ngựa.​





Đây không phải một con tôm bình thường mà bạn dễ thấy trong bể trưng bày tại các nhà hàng. Bởi họ biết rủi ro là rất lớn, chỉ với một cú ra càng, con tôm bọ ngựa (Stomatopoda) này có thể làm vỡ bất kỳ chiếc bể kính nào.
Cú đấm của tôm bọ ngựa nổi tiếng với tốc độ tương đương một viên đạn 22 li, biến nó trở thành một trong những loài động vật tấn công nhanh và mạnh nhất hành tinh. Đó cũng là lí do các nhà khoa học vì vậy rất hứng thú với những con tôm này.
Từ lâu đã có nhiều nhóm nghiên cứu muốn tìm cách chế tạo ra một hệ thống robot mô phỏng lại cú đấm của tôm bọ ngựa. Tiếc rằng họ đều không mấy thành công bởi ngay cả dưới góc máy quay siêu chậm, cơ chế đằng sau cú đấm cực mạnh của tôm bọ ngựa vẫn chưa được hiểu rõ.

Bí ẩn loài tôm bọ ngựa có cú đấm nhanh hơn đạn bắn, khiến khoa học cũng phải đầu hàng - Ảnh 1.







Các nhà khoa học tạo ra cỗ máy mô phỏng càng tôm bọ ngựa
Nỗ lực mới nhất nhằm tái tạo cú đấm của tôm bọ ngựa vừa được thực hiện bởi một nhóm nghiên cứu đến từ Đại học Harvard. Trong đó, họ đã tạo ra được một cánh tay robot có thể ra tay với gia tốc 10^4 m/s2. Nhóm nghiên cứu tuyên bố đây là tốc độ nhanh nhất mà một cỗ máy có thể đạt được ở kích thước đó.
Nhưng thật đáng tiếc, nó vẫn còn chậm hơn 250 lần so với tôm bọ ngựa, loài vật sở hữu cú ra càng với gia tốc lên tới 2,5x10^5 m/s2. Vậy để biết không phải lúc nào con người cũng đủ trình độ để sao chép và bắt chước những siêu năng lực mà tạo hóa ban cho các loài động vật.

Tôm bọ ngựa đạt được tốc độ kinh hoàng của nó như thế nào?

Nếu bạn chưa biết thì tôm bọ ngựa có tới hơn 450 phân loài. Nhưng nhìn chung, chúng có thể được chia thành hai nhóm: một nhóm có càng nhọn như mũi giáo dùng để đâm con mồi ("spearers") và một nhóm có càng tròn như búa dùng để ra cú đấm ("smashers"). Cả hai cuộc tấn công này đều có tốc độ rất nhanh, lên tới 23 mét/giây tương đương hơn 80 km/h.
Cú đấm của tôm bọ ngựa thường mạnh đến nỗi tách được không khí ra khỏi nước trong các vụ nổ bong bóng. Sóng xung kích từ đó có thể làm choáng váng và đôi khi trực tiếp giết chết con mồi.
Thỉnh thoảng người ta còn thấy một cú đấm của tôm bọ ngựa tạo ra hiện tượng siêu phát quang. Trong một khoảnh khắc, nước xung quanh càng của nó có thể bị ma sát lên hơn 4000 độ C, tương đương với bề mặt Mặt Trời.
Với cú đấm khủng khiếp ấy, tôm bọ ngựa có thể dễ dàng phá vỡ vỏ của các loài động vật thân mềm, cua, ốc và thậm chí cả hàu đá.

Bí ẩn loài tôm bọ ngựa có cú đấm nhanh hơn đạn bắn, khiến khoa học cũng phải đầu hàng - Ảnh 3.


Bí ẩn loài tôm bọ ngựa có cú đấm nhanh hơn đạn bắn, khiến khoa học cũng phải đầu hàng - Ảnh 4.
Cơ chế chốt giống như cò súng ở càng tôm bọ ngựa.

Theo một nghiên cứu năm 2018, bí mật phía sau cú đấm mạnh mẽ của tôm bọ ngựa không xuất phát từ khối lượng cơ bắp của chúng mà là từ cấu trúc giải phẫu bên trong càng. Về cơ bản, càng tôm bọ ngựa có cơ chế hoạt động giống với một chiếc nỏ hoặc bẫy chuột.
Khi ở trạng thái sẵn sàng, các cơ bên trong nó sẽ kéo căng một cấu trúc hình yên ngựa ở một đầu. Cấu trúc này bị uốn lại như một cánh cung và tích trữ thế năng rất lớn. Do vậy, một khi con tôm giải phóng bó cơ này ra, nó sẽ giống như cái chốt giữ tên trên nỏ được nhả. Cơ chế hoạt động đơn giản giống với một chiếc lò xo tuy cổ điển nhưng lại vô cùng hiệu quả.
Ngoài tôm bọ ngựa, những chiếc lò xo sinh học cũng xuất hiện trên nhiều loài động vật có tốc độ kinh hoàng khác, chẳng hạn như những cú bật nhảy của ếch và bọ chét, cú bắn lưỡi của tắc kè, hay cú đâm kiếm của một con cá bắn tỉa (Macroramphosus scolopax).
Nhưng các nhà khoa học cho biết cú đấm của tôm bọ ngựa vẫn có một thứ gì đó rất khác so với các loài động vật kể trên. Nó có độ trễ khoảng 1/1.000 giây tính từ lúc con tôm nhả cái chốt cho tới khi cú đấm được tung ra.

Đoạn phim quay chậm 5000 lần một cú đấm của tôm bọ ngựa cho thấy độ trễ nhỏ sau phản ứng của nó.
"Khi xem hình ảnh quay chậm của cú đấm dưới một máy ảnh tốc độ cực cao, bạn sẽ thấy một khoảng thời gian trễ giữa thời điểm sợi cơ được nhả và cái càng bắt đầu phát hỏa", Nak-seung (Patrick) Hyun, một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Trường Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng John A. Paulson thuộc Đại học Harvard cho biết.
"Nó giống như thể một con chuột kích hoạt một cái bẫy, nhưng thay vì bị sập ngay lập tức, cái bẫy có một độ trễ đáng chú ý trước khi nó sập xuống. Rõ ràng là có một cơ chế khác đang giữ cái càng đứng lại tại chỗ, nhưng chưa ai có thể phân tích để hiểu cơ chế này hoạt động như thế nào".

Bắt chước cú ra tay của tôm bọ ngựa: Một nhiệm vụ bất khả thi

Để có thể hiểu được điều gì đang diễn ra, tiến sĩ Hyun và các đồng nghiệp của ông đã quyết định tạo ra một hệ thống robot mô phỏng lại cú đấm của tôm bọ ngựa.
"Ý tưởng là thiết kế được một hệ thống sao cho bạn có thể thực sự lưu trữ năng lượng và giải phóng nó chỉ với một chuyển động đầu vào duy nhất", Emma Steinhardt, một đồng tác giả của nghiên cứu cho biết.
Theo đó, các nhà khoa học đưa ra giả thuyết rằng độ trễ cú đấm của tôm bọ ngựa đến từ việc loài vật này thiếu các cơ chế phức tạp để tạo ra chuyển động nhanh. Do đó, nó sử dụng chính hình dạng cấu trúc càng như một chốt phụ để điều khiển chuyển động.
Robot theo đó cũng phải sử dụng "một chiếc chốt hình học để giải phóng toàn bộ năng lượng được tích trữ", Steinhardt nói.

Bí ẩn loài tôm bọ ngựa có cú đấm nhanh hơn đạn bắn, khiến khoa học cũng phải đầu hàng - Ảnh 6.
Cỗ máy robot đã nhanh hơn bọ chét, nhưng nó vẫn kém xa cá bắn tỉa và tôm bọ ngựa.

Để làm được điều đó, nhóm nghiên cứu đã sử dụng một cơ chế trước đó, thứ mà họ đã ứng dụng thành công để tạo ra một đàn robot ong RoboBee có thể bay tự do, vào năm ngoái. Nó liên quan đến việc cắt ghép các tấm kim loại mỏng, xếp chúng thành lớp và kết dính lại bằng keo.
Một loại "cơ nhân tạo" thu nhỏ có thể được chế tạo bằng bộ truyền động áp điện, trong khi bản lề nhựa mỏng tạo nên các khớp nối tuyệt vời cho chuyển động quay. Cấu tạo robot được mô phỏng lại càng của tôm bọ ngựa, nhưng độ trễ của nó đến từ một khớp quay gồm hai phần, một phần nhỏ cho phép chuyển động dừng lại một khoảnh khắc trong khi chốt đã được nhả.
Độ trễ ngắn giữa khoảnh khắc mở chốt và cú đấm được tung ra "có thể là một tính năng quan trọng cho phép cơ chế này lặp lại được nhiều lần và cực kỳ hiệu quả mà không làm hao mòn các chốt tiếp xúc", các nhà khoa học viết.
Sau nhiều thử nghiệm và tinh chỉnh, cuối cùng, các nhà khoa học cũng tạo ra được một phiên bản robot mô phỏng được cú đấm của tôm bọ ngựa với tốc độ đạt 26 m/giây trong không khí, tương đương với một chiếc ô tô đi từ 0 lêm 90 km/h trong 4 mili giây.
Ở dưới nước, vận tốc của cú đấm robot có thể đạt được là 5m/s. Mặc dù kết quả này chưa thể vượt qua tôm bọ ngựa nhưng nó vẫn rất ấn tượng. Các nhà nghiên cứu khẳng định đây là tốc độ nhanh nhất mà một cỗ máy nặng chỉ 1,5 gam có thể thực hiện được.

Bí ẩn loài tôm bọ ngựa có cú đấm nhanh hơn đạn bắn, khiến khoa học cũng phải đầu hàng - Ảnh 7.


Bí ẩn loài tôm bọ ngựa có cú đấm nhanh hơn đạn bắn, khiến khoa học cũng phải đầu hàng - Ảnh 8.
Mặc dù đã rất nhanh, cỗ máy tí hon này vẫn thua xa tốc độ của tôm bọ ngựa đạt được ở dưới nước.

Steinhardt, Hyun, và các đồng tác giả cho biết hệ thống robot đã xác nhận giả thuyết trước đó về độ trễ của cú đấm tôm bọ ngựa.
"Quá trình xây dựng mô hình vật lý và phát triển mô hình toán học đã giúp chúng tôi xem xét lại sự hiểu biết của mình về cơ chế tấn công của tôm bọ ngựa, rộng hơn là khám phá cách các sinh vật và hệ thống khác có thể sử dụng hình học để kiểm soát dòng năng lượng cực lớn trong các chuyển động cực nhanh và có tính lặp đi lặp lại", Sheila Patek, một nhà sinh vật học tại Đại học Duke nói.
Tuy nhiên, sự chênh lệch còn quá lớn trong sức mạnh của cánh tay robot và tôm bọ ngựa cho thấy một lần nữa, các nhà khoa học lại thất bại trong việc mô phỏng lại cú đấm tuyệt vời của chúng.
Mặc dù vậy, công việc không hoàn toàn vô nghĩa. Nhóm nghiên cứu Harvard cho biết trong tương lai học sẽ mở rộng chiến lược phát triển mô hình vật lý này sang các loài khác, chẳng hạn như ếch hoặc kiến bẫy hàm, loài vật có những cú cắn rất nhanh và mạnh.
"Chúng tôi bị cuốn hút bởi rất nhiều hành vi đáng chú ý mà chúng tôi thấy trong tự nhiên, đặc biệt là những hành vi vượt quá những gì mà thiết bị do con người tạo ra có thể đạt tới được", đại diện nhóm nghiên cứu cho biết.
Tham khảo Arstechnica