Videnskabsmænd konstruerer energibesparende BirdBot

Et hold af videnskabsmænd fra Max Planck Institute for Intelligent Systems (MPI-IS) ledet af Alexander Badri-Spröwitz har konstrueret en robotben, der er baseret på den naturlige model af flyveløse fugle. Den nye BirdBot er blevet skabt med færre motorer end andre maskiner, og teoretisk set kunne den skaleres op til stor størrelse.

Badri-Spröwitz leder Dynamic Locomotion Group, der arbejder på tværs af biologi og robotteknik. Holdet bestod af Alborz Aghamaleki Sarvestani, Badri-Spröwitz’ doktorand; Metin Sitti, robottekniker og direktør ved MPI-IS; og Monica A. Daley, biologiprofessor ved University of California, Irvine.

Forskningen er offentliggjort i tidsskriftet Science Robotics.

At se på fugle i naturen

Fugle afhænger af en bevægelse, der indebærer at foldede deres fødder bagud, når de er i svingfasen, og holdet tilskrev denne bevægelse en mekanisk kobling.

“Det er ikke nervesystemet, det er ikke elektriske impulser, det er ikke muskelaktivitet,” siger Badri-Spröwitz. “Vi har hypoteseret en ny funktion for fod-leg-koblingen gennem et netværk af muskler og sener, der strækker sig over flere ledder. Disse multi-leddede muskel-sener koordinerer fod-folding i svingfasen. I vores robot har vi implementeret den koblete mekanik i benet og fødderne, hvilket muliggør energibesparende og robust robot-gang. Vores resultater, der demonstrerer denne mekanisme i en robot, får os til at tro, at lignende efficiensfordele også gælder for fugle,” forklarer han.

Holdet testede deres hypotese ved at bygge en robotben, der var modelleret efter benet på en flyveløs fugl. Den kunstige fugleben blev konstrueret uden motor. I stedet afhængte den af et led, der var udstyret med en fjeder og kabel-mekanisme. Forskerne brugte derefter kabel og taljer til at mekanisk koblet fødderne til benets ledder. Hver af disse ben har et hoft-led-motor, der er ansvarlig for at svinge benet frem og tilbage, og en lille motor, der trækker benet op ved at bøje knæet.

BirdBot blev testet på en løbebånd, mens holdet observerede dens fod-folding og -udfolding.

“Fod- og ben-ledder behøver ikke aktivering i stå-fasen,” siger Aghamaleki Sarvestani.

“Fjedre driver disse ledder, og den multi-leddede fjeder-sen-mekanisme koordinerer led-bevægelser. Når benet trækkes ind i sving-fasen, frakobler fødderne benets fjeder — eller muskel-sen-fjederen, som vi tror sker i dyr,” fortsætter Badri-Spröwitz.

Nul energi, når den står

Robotbenet bruger nul energi, når det står, hvilket betyder, at det kun kræver en fjerdedel af den energi, som det tidligere ben krævede.

Når roboten løber, frakobler fødderne benets fjeder med hver ben-sving. For at frakoble, slackerer den store fod-bevægelse kablet, mens de resterende ben-ledder svinger frit. Dette skaber en overgang mellem stå- og ben-sving-faser, som normalt tilbydes robotter af en motor i leddet. En sensor sender normalt et signal til en controller, der slår robotens motorer til og fra.

“Tidligere blev motorer slået til og fra afhængigt af, om benet var i sving- eller stå-fasen. Nu overtager fødderne denne funktion i gang-maskinen, mekanisk skiftende mellem stå- og sving-faser. Vi behøver kun en motor i hoft-led og en motor til at bøje knæet i sving-fasen. Vi overlader ben-fjeder-aktivering og -frakobling til fugle-inspireret mekanik. Dette er robust, hurtigt og energibesparende,” siger Badri-Spröwitz.

BirdBot er en fysisk model, der demonstrerer mange af de fantastiske mekanismer, der findes hos fugle i naturen, såsom dem, der hjælper dem med at handle hurtigt uden at skulle tænke. Hvis der er en bump i jorden, skifter BirdBots ben mekanisk og uden nogen tidsforsinkelse. Ligesom fugle i naturen har robotbenet høj gang-robusthed.

Denne nye forskning kunne resultere i meter-høje ben, der kan implementeres til at bære robotter med flere tons vægt, alt med lidt energi-indgang. Konstruktionen af BirdBot kunne også give dybe nye indsigt i biologi, hvilket kunne føre til fremskridt i feltet.