Vědci vytvořili energeticky efektivní BirdBot

Tým vědců z Max Planck Institute for Intelligent Systems (MPI-IS) vedený Alexanderem Badri-Spröwitzem vytvořil robotickou nohu, která je založena na přirozeném modelu letců ptáků. Nový BirdBot byl vytvořen s menším počtem motorů než jiné stroje a teoreticky by mohl být škálovatelný na velkou velikost.

Badri-Spröwitz vede Dynamickou locomoci skupinu, která provádí mezioborovou práci v oblasti biologie a robotiky. Tým zahrnoval Alborz Aghamaleki Sarvestani, Badri-Spröwitzova doktorského studenta; Metin Sitti, robotika a ředitel MPI-IS; a Monicu A. Daley, biologickou profesorku na University of California, Irvine.

Výzkum byl zveřejněn v časopise Science Robotics.

Podívání se na ptáky v přírodě

Ptáci se spoléhají na pohyb, který zahrnuje ohýbání nohou dozadu, když jsou ve fázi kyvu, a tým připsal tento pohyb mechanickému spojení.

„Není to nervový systém, nejsou to elektrické impulzy, není to svalová aktivita,“ říká Badri-Spröwitz. „Hypotézujeme novou funkci nohy a spojení nohy a chodidla prostřednictvím sítě svalů a šlach, které se rozprostírají přes více kloubů. Tyto multi-kloubní sval-šlachové koordinují ohýbání chodidla ve fázi kyvu. V našem robotu jsme implementovali spojenou mechaniku v noze a chodidle, což umožňuje energeticky efektivní a robustní chůzi robota. Naše výsledky demonstrují tento mechanismus v robotu a vedou nás k přesvědčení, že podobné výhody efektivity také platí pro ptáky,“ vysvětluje.

Tým otestoval svou hypotézu vytvořením robotické nohy modelované podle nohy nelétavého ptáka. Umělé ptáčí noha byla vyrobena bez motoru. Místo toho se spoléhala na kloub vybavený pružinou a kabelovým mechanismem. Výzkumníci pak použili kabely a bloky k mechanickému spojení chodidla s klouby nohy. Každá z těchto nohou má motor v kyčelním kloubu, který je zodpovědný za kyvnutí nohy tam a zpět, a malý motor, který táhne nohu nahoru ohnutím kolena.

BirdBot byl testován na běžeckém pásu, zatímco tým pozoroval ohýbání a rozevírání chodidla.

„Chodidlo a klouby nohy nepotřebují aktivační fázi,“ říká Aghamaleki Sarvestani.

„Pružiny pohánějí tyto klouby a multi-kloubní pružin-šlachový mechanismus koordinuje pohyby kloubů. Když je noha tažena do fáze kyvu, chodidlo odpojí pružinu nohy – nebo sval-šlachovou pružinu, jak se domníváme, že se to děje u zvířat,“ pokračuje Badri-Spröwitz.

Nulová energie při stání

Robotická noha používá nulovou energii při stání, což znamená, že vyžaduje pouze čtvrtinu energie svého předchůdce.

Když robot běží, chodidlo odpojí pružinu nohy s každým kyvnutím nohy. K odpojení je třeba velké pohyby chodidla, které uvolní kabel, zatímco zbývající klouby nohy se volně pohybují. To vytváří přechod mezi stáním a kyvnutím nohy, který je obvykle poskytován robotům motorem v kloubu. Senzor také obvykle posílá signál kontroléru, který přepíná motory robota.

„Předtím byly motory přepínány v závislosti na tom, zda byla noha ve fázi kyvu nebo stání. Nyní chodidlo přebírá tuto funkci v chodeckém stroji, mechanicky přepínající mezi stáním a kyvnutím. Potřebujeme pouze jeden motor v kyčelním kloubu a jeden motor k ohnutí kolena ve fázi kyvu. Necháváme zapojení a odpojení pružiny nohy bird-inspirované mechanice. To je robustní, rychlé a energeticky efektivní,“ říká Badri-Spröwitz.

BirdBot je fyzický model demonstrující mnoho úžasných mechanismů ptáků v přírodě, jako jsou ty, které jim pomáhají jednat rychle bez nutnosti přemýšlet. Pokud je na zemi nějaký výmol, noha BirdBotu se mechanicky přepíná bez zpoždění. Stejně jako ptáci v přírodě, robot má vysokou robustnost chůze.

Tento nový výzkum by mohl vést k vytvoření metrů vysokých nohou, které by mohly být implementovány pro nosiče robotů s několika tunami hmotnosti, vše s malým vstupem energie. Konstrukce BirdBotu by mohla také poskytnout hluboké nové poznatky do biologie, vedoucí k pokrokům v oboru.