Mechanical Innovations of a Climbing Cactus: Functional Insights for a New Generation of Growing Robots
- 1. Universidade Federal do Paraná
- 2. Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement
- 3. University of Montpellier
- 4. French National Centre for Scientific Research
- 5. Institut de Recherche pour le Développement
- 6. National Research Institute for Agriculture, Food and Environment
- 7. Institut Agro Montpellier
Description
Climbing plants are being increasingly viewed as models for bioinspired growing robots capable of spanning voids and attaching to diverse substrates. We explore the functional traits of the climbing cactus Selenicereus setaceus (Cactaceae) from the Atlantic forest of Brazil and discuss the potential of these traits for robotics applications. The plant is capable of growing through highly unstructured habitats and attaching to variable substrates including soil, leaf litter, tree surfaces, rocks, and fine branches of tree canopies in wind-blown conditions. Stems develop highly variable cross-sectional geometries at different stages of growth. They include cylindrical basal stems, triangular climbing stems and apical star-shaped stems searching for supports. Searcher stems develop relatively rigid properties for a given cross-sectional area and are capable of spanning voids of up to 1 m. Optimization of rigidity in searcher stems provide some potential design ideas for additive engineering technologies where climbing robotic artifacts must limit materials and mass for curbing bending moments and buckling while climbing and searching. A two-step attachment mechanism involves deployment of recurved, multi-angled spines that grapple on to wide ranging surfaces holding the stem in place for more solid attachment via root growth from the stem. The cactus is an instructive example of how light mass searchers with a winged profile and two step attachment strategies can facilitate traversing voids and making reliable attachment to a wide range of supports and surfaces.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
يُنظر إلى نباتات التسلق بشكل متزايد على أنها نماذج للروبوتات المتنامية المستوحاة بيولوجيًا والقادرة على تمديد الفراغات والارتباط بالركائز المتنوعة. نستكشف السمات الوظيفية لصبار التسلق Selenicereus setaceus (الصبار) من غابة المحيط الأطلسي في البرازيل ونناقش إمكانات هذه السمات لتطبيقات الروبوتات. النبات قادر على النمو من خلال موائل غير منظمة للغاية والارتباط بالركائز المتغيرة بما في ذلك التربة والقمامة الورقية وأسطح الأشجار والصخور والفروع الدقيقة لمظلات الأشجار في ظروف الرياح. تقوم STEMS بتطوير أشكال هندسية مستعرضة متغيرة للغاية في مراحل مختلفة من النمو. وهي تشمل السيقان القاعدية الأسطوانية وسيقان التسلق المثلثة والسيقان القمية على شكل نجمة التي تبحث عن الدعامات. تطور سيقان البحث خصائص صلبة نسبيًا لمنطقة مستعرضة معينة وهي قادرة على تمديد الفراغات التي تصل إلى متر واحد. يوفر تحسين الصلابة في سيقان الباحث بعض الأفكار التصميمية المحتملة لتقنيات الهندسة المضافة حيث يجب أن يحد تسلق القطع الأثرية الروبوتية من المواد والكتلة للحد من لحظات الانحناء والالتواء أثناء التسلق والبحث. تتضمن آلية الارتباط المكونة من خطوتين نشر أشواك منحنية متعددة الزوايا تتصارع على أسطح واسعة النطاق تمسك الجذع في مكانه للحصول على ارتباط أكثر صلابة عبر نمو الجذر من الجذع. يعد الصبار مثالًا مفيدًا على كيفية قيام الباحثين عن الكتلة الخفيفة الذين لديهم ملف جانبي مجنح واستراتيجيات ربط من خطوتين بتسهيل عبور الفراغات وإنشاء ارتباط موثوق به بمجموعة واسعة من الدعامات والأسطح.Translated Description (French)
Les plantes grimpantes sont de plus en plus considérées comme des modèles de robots de culture bioinspirés capables de couvrir les vides et de se fixer à divers substrats. Nous explorons les traits fonctionnels du cactus grimpant Selenicereus setaceus (Cactaceae) de la forêt atlantique du Brésil et discutons du potentiel de ces traits pour les applications robotiques. La plante est capable de pousser à travers des habitats hautement non structurés et de se fixer à des substrats variables, notamment le sol, la litière de feuilles, la surface des arbres, les roches et les fines branches de la canopée des arbres dans des conditions de vent. Les tiges développent des géométries transversales très variables à différents stades de croissance. Ils comprennent des tiges basales cylindriques, des tiges d'escalade triangulaires et des tiges apicales en forme d'étoile à la recherche de supports. Les tiges de chercheur développent des propriétés relativement rigides pour une section transversale donnée et sont capables de couvrir des vides allant jusqu'à 1 m. L'optimisation de la rigidité dans les tiges de recherche fournit des idées de conception potentielles pour les technologies d'ingénierie additive où les artefacts robotiques d'escalade doivent limiter les matériaux et la masse pour limiter les moments de flexion et le flambement lors de l'escalade et de la recherche. Un mécanisme de fixation en deux étapes implique le déploiement d'épines recourbées et multi-angulaires qui s'agrippent à de larges surfaces maintenant la tige en place pour une fixation plus solide via la croissance des racines de la tige. Le cactus est un exemple instructif de la façon dont les chercheurs de masse légère avec un profil ailé et des stratégies de fixation en deux étapes peuvent faciliter la traversée des vides et la fixation fiable à un large éventail de supports et de surfaces.Translated Description (Spanish)
Las plantas trepadoras se ven cada vez más como modelos de robots de crecimiento bioinspirados capaces de atravesar vacíos y unirse a diversos sustratos. Exploramos los rasgos funcionales del cactus trepador Selenicereus setaceus (Cactaceae) de la selva atlántica de Brasil y discutimos el potencial de estos rasgos para aplicaciones robóticas. La planta es capaz de crecer a través de hábitats altamente desestructurados y adherirse a sustratos variables, incluidos el suelo, la hojarasca, las superficies de los árboles, las rocas y las ramas finas de las copas de los árboles en condiciones de viento. Los tallos desarrollan geometrías transversales muy variables en diferentes etapas de crecimiento. Incluyen tallos basales cilíndricos, tallos trepadores triangulares y tallos apicales en forma de estrella en busca de soportes. Los tallos del buscador desarrollan propiedades relativamente rígidas para un área de sección transversal dada y son capaces de abarcar vacíos de hasta 1 m. La optimización de la rigidez en los vástagos del buscador proporciona algunas ideas de diseño potenciales para tecnologías de ingeniería aditiva donde los artefactos robóticos de escalada deben limitar los materiales y la masa para frenar los momentos de flexión y pandeo mientras escalan y buscan. Un mecanismo de unión de dos pasos implica el despliegue de espinas recurvadas y de múltiples ángulos que se agarran a superficies de amplio alcance que mantienen el tallo en su lugar para una unión más sólida a través del crecimiento de la raíz desde el tallo. El cactus es un ejemplo instructivo de cómo los buscadores de masa ligera con un perfil alado y estrategias de fijación de dos pasos pueden facilitar atravesar vacíos y realizar una fijación fiable a una amplia gama de soportes y superficies.Files
pdf.pdf
Files
(4.0 MB)
Name | Size | Download all |
---|---|---|
md5:c2bf812bb0e9d3f07336ad5b8d074a58
|
4.0 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- الابتكارات الميكانيكية لصبار التسلق: رؤى وظيفية لجيل جديد من الروبوتات المتنامية
- Translated title (French)
- Innovations mécaniques d'un cactus grimpant : aperçus fonctionnels pour une nouvelle génération de robots en croissance
- Translated title (Spanish)
- Innovaciones mecánicas de un cactus trepador: conocimientos funcionales para una nueva generación de robots en crecimiento
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W3035749666
- DOI
- 10.3389/frobt.2020.00064
References
- https://openalex.org/W1495232996
- https://openalex.org/W1583118948
- https://openalex.org/W1590804794
- https://openalex.org/W1950336946
- https://openalex.org/W1980247419
- https://openalex.org/W1983084194
- https://openalex.org/W1983199443
- https://openalex.org/W2016457575
- https://openalex.org/W2024090057
- https://openalex.org/W2026132111
- https://openalex.org/W2026717067
- https://openalex.org/W2031225241
- https://openalex.org/W2032002885
- https://openalex.org/W2035552679
- https://openalex.org/W2052671162
- https://openalex.org/W2078283869
- https://openalex.org/W2086998619
- https://openalex.org/W2097517404
- https://openalex.org/W2099902968
- https://openalex.org/W2101020813
- https://openalex.org/W2111418067
- https://openalex.org/W2118423308
- https://openalex.org/W2127307981
- https://openalex.org/W2134030791
- https://openalex.org/W2135450920
- https://openalex.org/W2140572958
- https://openalex.org/W2156803036
- https://openalex.org/W2158401490
- https://openalex.org/W2169605995
- https://openalex.org/W2270383477
- https://openalex.org/W2521916106
- https://openalex.org/W2548830471
- https://openalex.org/W2562517861
- https://openalex.org/W2566162379
- https://openalex.org/W2614923825
- https://openalex.org/W2737491236
- https://openalex.org/W2769379857
- https://openalex.org/W2772843883
- https://openalex.org/W2782650724
- https://openalex.org/W2790484837
- https://openalex.org/W2809529465
- https://openalex.org/W2810477530
- https://openalex.org/W2890132254
- https://openalex.org/W2890263676
- https://openalex.org/W2911173768
- https://openalex.org/W2952563953
- https://openalex.org/W3006137367
- https://openalex.org/W4206129318
- https://openalex.org/W4229558676
- https://openalex.org/W4232030239
- https://openalex.org/W4244046417
- https://openalex.org/W4253520572