Mechanical power limitations emerge from the physical trade-off between force and velocity. Many biological systems incorporate power-enhancing mechanisms enabling extraordinary accelerations at small sizes. We establish how power enhancement emerges through the dynamic coupling of motors, springs, and latches and reveal how each displays its own force-velocity behavior. We mathematically demonstrate a tunable performance space for spring-actuated movement that is applicable to biological and synthetic systems. Incorporating nonideal spring behavior and parameterizing latch dynamics allows the identification of critical transitions in mass and trade-offs in spring scaling, both of which offer explanations for long-observed scaling patterns in biological systems. This analysis defines the cascading challenges of power enhancement, explores their emergent effects in biological and engineered systems, and charts a pathway for higher-level analysis and synthesis of power-amplified systems.

We develop a model of latch-mediated spring actuated (LaMSA) systems relevant to comparative biomechanics and bioinspired design. The model contains five components: two motors (muscles), a spring, a latch, and a load mass. One motor loads the spring to store elastic energy and the second motor subsequently removes the latch, which releases the spring and causes movement of the load mass. We develop open-source software to accompany the model, which provides an extensible framework for simulating LaMSA systems. Output from the simulation includes information from the loading and release phases of motion, which can be used to calculate kinematic performance metrics that are important for biomechanical function. In parallel, we simulate a comparable, directly actuated system that uses the same motor and mass combinations as the LaMSA simulations. By rapidly iterating through biologically relevant input parameters to the model, simulated kinematic performance differences between LaMSA and directly actuated systems can be used to explore the evolutionary dynamics of biological LaMSA systems and uncover design principles for bioinspired LaMSA systems. As proof of principle of this concept, we compare a LaMSA simulation to a directly actuated simulation that includes a either Hill-type force-velocity trade-off or muscle activation dynamics, or both. For the biologically-relevant range of parameters explored, we find that the muscle force-velocity trade-off and muscle activation have similar effects on directly actuated performance. Including both of these dynamic muscle properties increases the accelerated mass range where a LaMSA system outperforms a directly actuated one.

ABSTRACT Understanding the relationship between morphology and movement in biomechanical systems, particularly those composed of multiple complex elements, presents challenges due to the nonlinear nature of the interaction between components. This study focuses on the mandibular closing mechanisms in ants, specifically comparing muscle-driven actuation (MDA) and latch-mediated spring actuation (LaMSA) in the genus Strumigenys . Analyzing 3D structural data from diverse Strumigenys species, we employ mathematical models for both LaMSA and MDA systems. Our findings reveal distinct patterns of mechanical sensitivity between the two models, with sensitivity varying across kinematic output metrics. We explore the performance transition between MDA and LaMSA systems by incorporating biological data and correlations between morphological parameters into the models. In these models tuned specifically to Strumigenys , we find the LaMSA mechanism outperforms MDA at small relative mandible mass. Notably, the location and abruptness of the performance transition differs among various kinematic performance metrics. Overall, this work contributes a novel approach to understanding form-function relationships in complex biomechanical systems. By using morphological data to calibrate a general biomechanical model for a particular group, it strikes a balance between simplicity and specificity and allows for conclusions that are uniquely tuned to the morphological characteristics of the group.

The snap of a finger has been used as a form of communication and music for millennia across human cultures. However, a systematic analysis of the dynamics of this rapid motion has not yet been performed. Using high-speed imaging and force sensors, we analyze the dynamics of the finger snap. Our analysis reveals the central role of skin friction in mediating the snap dynamics by acting as a latch to control the resulting high velocities. We evaluate the role of this frictional latch experimentally, by covering the thumb and middle finger with different materials to produce different friction coefficients and varying compressibility. In doing so, we reveal that the compressible, frictional latch of the finger pads likely operate in a regime optimally tuned for both friction and compression. We also develop a soft, compressible friction-based latch-mediated spring actuated (LaMSA) model to further elucidate the key role of friction and how it interacts with a compressible latch. Our mathematical model reveals that friction plays a dual role in the finger snap, both aiding in force loading and energy storage while hindering energy release. Our work reveals how friction between surfaces can be harnessed as a tunable latch system and provide design insight towards the frictional complexity in many robotics and ultra-fast energy-release structures.