Wissenschaftler konstruieren energiesparenden BirdBot

Ein Team von Wissenschaftlern am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme (MPI-IS) unter der Leitung von Alexander Badri-Spröwitz hat ein Roboterbein entwickelt, das auf dem natürlichen Modell von flugunfähigen Vögeln basiert. Der neue BirdBot wurde mit weniger Motoren als andere Maschinen erstellt und könnte theoretisch auf eine große Größe skaliert werden.

Badri-Spröwitz leitet die Dynamic Locomotion Group, die Überschneidungsarbeiten in den Bereichen Biologie und Robotik durchführt. Das Team umfasste Alborz Aghamaleki Sarvestani, Badri-Spröwitz’ Doktoranden; Metin Sitti, Roboter-Experte und Direktor am MPI-IS; und Monica A. Daley, Biologie-Professorin an der University of California, Irvine.

Die Forschung wurde im Journal Science Robotics veröffentlicht.

Blick auf Vögel in der Natur

Vögel verlassen sich auf eine Bewegung, bei der sie ihre Füße beim Schwingphasen nach hinten falten, und das Team führte diese Bewegung auf eine mechanische Kopplung zurück.

“Es ist nicht das Nervensystem, es sind keine elektrischen Impulse, es ist keine Muskelaktivität”, sagt Badri-Spröwitz. “Wir haben eine neue Funktion der Fuß-Bein-Kopplung durch ein Netzwerk von Muskeln und Sehnen hypothesiert, die sich über mehrere Gelenke erstrecken. Diese multi-joint-Muskel-Sehnen koordinieren das Fuß-Falten in der Schwingphase. In unserem Roboter haben wir die gekoppelten Mechaniken im Bein und Fuß implementiert, was energiesparendes und robustes Roboter-Gehen ermöglicht. Unsere Ergebnisse, die diesen Mechanismus in einem Roboter demonstrieren, lassen uns glauben, dass ähnliche Effizienz-Vorteile auch für Vögel gelten”, erklärt er.

Das Team testete ihre Hypothese, indem sie ein robotisches Bein modellierten, das dem Bein eines flugunfähigen Vogels nachempfunden war. Das künstliche Vogelbein wurde ohne Motor konstruiert und stattdessen mit einem Gelenk ausgestattet, das mit einer Feder und einem Seilmechanismus versehen war. Die Forscher verwendeten dann Seile und Rollen, um den Fuß mechanisch mit den Gelenken des Beins zu koppeln. Jedes dieser Beine hat ein Hüftgelenk-Motor, der für das Schwingen des Beins verantwortlich ist, und einen kleinen Motor, der das Bein durch Beugen des Knies anhebt.

BirdBot wurde auf einem Laufband getestet, während das Team die Fuß-Faltung und -Entfaltung beobachtete.

“Die Fuß- und Bein-Gelenke benötigen in der Stützphase keine Aktivierung”, sagt Aghamaleki Sarvestani.

“Federn betätigen diese Gelenke, und der multi-joint-Feder-Sehnen-Mechanismus koordiniert die Gelenk-Bewegungen. Wenn das Bein in die Schwingphase gezogen wird, disengagiert der Fuß die Feder des Beins – oder die Muskel-Sehnen-Feder, wie wir glauben, dass es in Tieren passiert”, fährt Badri-Spröwitz fort.

Null Energie im Stand

Das Roboterbein verbraucht null Energie im Stand, was bedeutet, dass es nur ein Viertel der Energie seines Vorgängers benötigt.

Wenn der Roboter läuft, disengagiert der Fuß die Feder des Beins bei jedem Beinschwingen. Um zu disengagieren, lockert die große Fußbewegung das Seil, während die verbleibenden Bein-Gelenke locker schwingen. Dies erzeugt einen Zustandsübergang zwischen Stand und Beinschwingen, der normalerweise durch einen Motor am Gelenk bereitgestellt wird. Ein Sensor sendet normalerweise ein Signal an einen Controller, der die Motoren des Roboters ein- und ausschaltet.

“Bisher wurden Motoren je nachdem, ob das Bein in der Schwing- oder Stützphase war, umgeschaltet. Jetzt übernimmt der Fuß diese Funktion in der Gehmaschine, indem er mechanisch zwischen Stütz- und Schwingphase umschaltet. Wir benötigen nur einen Motor am Hüftgelenk und einen Motor, um das Knie in der Schwingphase zu beugen. Wir überlassen die Feder-Betätigung und -Disengagement der vogel-inspirierten Mechanik. Dies ist robust, schnell und energiesparend”, sagt Badri-Spröwitz.

BirdBot ist ein physisches Modell, das viele der erstaunlichen Mechanismen von Vögeln in der Natur demonstriert, wie z.B. diejenigen, die ihnen helfen, schnell zu handeln, ohne nachdenken zu müssen. Wenn es einen Buckel im Boden gibt, schaltet BirdBots Bein mechanisch und ohne Zeitverzögerung um. Genau wie Vögel in der Natur hat der Roboter eine hohe Fortbewegungs-Robustheit.

Diese neue Forschung könnte zu meterhohen Beinen führen, die implementiert werden können, um Roboter mit mehreren Tonnen Gewicht zu tragen, alles mit geringem Energie-Eingang. Der Bau von BirdBot könnte auch tiefere neue Einblicke in die Biologie liefern, was zu Fortschritten in diesem Bereich führen könnte.