Οι Επιστήμονες Κατασκευάζουν Ενεργειακά Αποδοτικό BirdBot

Μια ομάδα επιστημόνων στο Ινστιτούτο Max Planck για τα Ευφυή Συστήματα (MPI-IS) υπό την ηγεσία του Alexander Badri-Spröwitz έχει κατασκευάσει ένα ρομποτικό πόδι που βασίζεται στο φυσικό μοντέλο των πτηνών χωρίς πτήση. Το νέο BirdBot δημιουργήθηκε με λιγότερους κινητήρες από άλλες μηχανές και θεωρητικά θα μπορούσε να κλιμακωθεί σε μεγάλο μέγεθος.

Ο Badri-Spröwitz ηγείται της Ομάδας Δυναμικής Κίνησης, η οποία thựcεί διασταύρωση εργασιών στους τομείς της βιολογίας και της ρομποτικής. Η ομάδα περιελάμβανε τον Alborz Aghamaleki Sarvestani, τον διδακτορικό φοιτητή του Badri-Spröwitz, τον Metin Sitti, ρομποτική και διευθυντή στο MPI-IS, και την Monica A. Daley, καθηγήτρια βιολογίας στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας, Ίρβαϊν.

Η έρευνα δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Science Robotics.

Κοιτάζοντας τα Πτηνά στη Φύση

Τα πτηνά βασίζονται σε μια κίνηση που περιλαμβάνει το πτύσιμο των ποδιών τους προς τα πίσω όταν βρίσκονται στη φάση της κίνησης και η ομάδα απέδωσε αυτή την κίνηση σε einen μηχανική σύνδεση.

«Δεν είναι το νευρικό σύστημα, δεν είναι ηλεκτρικές ενισχύσεις, δεν είναι μυική δραστηριότητα», λέει ο Badri-Spröwitz. «Υποθέσαμε μια νέα λειτουργία της σύνδεσης ποδιού-πόδι μέσω ενός δικτύου μυών και τένονων που εκτείνεται σε πολλαπλά σημεία. Αυτά τα συντονισμένα μυς-τένοντες συντονίζουν το πτύσιμο του ποδιού στη φάση της κίνησης. Στο ρομποτικό μας, έχουμε υλοποιήσει τη συνδεδεμένη μηχανική στο πόδι και το πόδι, το οποίο επιτρέπει την ενεργειακά αποδοτική και robust ρομποτική κίνηση. Τα αποτελέσματά μας που αποδεικνύουν αυτή τη μηχανική σε ένα ρομποτικό μας οδηγούν να πιστεύουμε ότι παρόμοια οφέλη αποδοτικότητας ισχύουν επίσης για τα πτηνά», εξηγεί.

Η ομάδα έ-tested την υπόθεσή τους κατασκευάζοντας ένα ρομποτικό πόδι που μοντελοποιείται από το πόδι ενός πτηνού χωρίς πτήση. Το τεχνητό πόδι του πτηνού κατασκευάστηκε χωρίς κινητήρα. Αντίθετα, βασίζονταν σε ένα σημείο που ήταν εξοπλισμένο με ένα ελατήριο και μηχανισμό καλωδίου. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν καλώδια και ρόδες για να συνδέσουν μηχανικά το πόδι με τα σημεία του ποδιού. Κάθε ένα από αυτά τα πόδια έχει ένα μηχανισμό ισχίου, ο οποίος είναι υπεύθυνος για την κίνηση του ποδιού προς τα πίσω και προς τα εμπρός, και einen μικρό κινητήρα που τραβά το πόδι προς τα πάνω με την κάμψη του γονάτου.

Το BirdBot δοκιμάστηκε σε ένα τρέξιμο ως η ομάδα παρατηρούσε το πτύσιμο και το ανοίγσιμο του ποδιού.

«Το πόδι και τα σημεία του ποδιού δεν χρειάζονται ενεργοποίηση στη φάση της στάσης», λέει ο Aghamaleki Sarvestani.

«Τα ελατήρια τροφοδοτούν αυτά τα σημεία και το συντονισμένο μηχανισμό ελατηρίου-τένοντα συντονίζει τις κινήσεις των σημείων. Όταν το πόδι τραβιέται στην φάση της κίνησης, το πόδι αποσυνδέει το ελατήριο του ποδιού — ή το ελατήριο μυών-τένοντα, όπως πιστεύουμε ότι συμβαίνει στα ζώα», συνεχίζει ο Badri-Spröwitz.

Μηδέν Ενέργειας Όταν Στέκεται

Το ρομποτικό πόδι χρησιμοποιεί μηδέν ενέργειας όταν στέκεται, που σημαίνει ότι απαιτεί μόνο ένα τέταρτο της ενέργειας του προκατόχου του.

Όταν το ρομποτικό είναι σε κίνηση, το πόδι αποσυνδέει το ελατήριο του ποδιού με κάθε κίνηση του ποδιού. Για να αποσυνδεθεί, η μεγάλη κίνηση του ποδιού χαλαρώνει το καλώδιο ενώ τα υπόλοιπα σημεία του ποδιού κουνιούνται ελεύθερα. Αυτό δημιουργεί μια μετάβαση καταστάσεων μεταξύ στάσης και κίνησης, η οποία συνήθως παρέχεται σε ρομποτικά από einen κινητήρα στο σημείο. Ένας αισθητήρας επίσης συνήθως στέλνει ένα σήμα σε einen ελεγκτή που ενεργοποιεί και απενεργοποιεί τους κινητήρες του ρομποτικού.

«Προηγουμένως, οι κινητήρες ενεργοποιούνταν ανάλογα με το αν το πόδι ήταν στη φάση της κίνησης ή της στάσης. Τώρα το πόδι αναλαμβάνει αυτή τη λειτουργία στη μηχανή κίνησης, μεταβαίνοντας μηχανικά μεταξύ στάσης και κίνησης. Χρειαζόμαστε μόνο einen κινητήρα στο σημείο ισχίου και einen κινητήρα για να κάμψουμε το γόνατο στη φάση της κίνησης. Αφήνουμε την ενεργοποίηση και απενεργοποίηση του ελατηρίου του ποδιού στη μηχανική του πτηνού. Αυτό είναι robust, γρήγορο και ενεργειακά αποδοτικό», λέει ο Badri-Spröwitz.

Το BirdBot είναι ένα φυσικό μοντέλο που αποδεικνύει πολλές από τις απίστευτες μηχανικές των πτηνών στη φύση, όπως αυτές που τους βοηθούν να ενεργούν γρήγορα χωρίς να χρειάζεται να σκέφτονται. Αν υπάρχει ένα ανώμαλο στο έδαφος, το πόδι του BirdBot μεταβαίνει μηχανικά και χωρίς καθυστέρηση. Όπως και τα πτηνά στη φύση, το ρομποτικό έχει υψηλή robust κίνηση.

Αυτή η νέα έρευνα θα μπορούσε να οδηγήσει σε πόδια υψους μετρου που θα μπορούσαν να υλοποιηθούν για να μεταφέρουν ρομποτικά με αρκετές τόνους βάρους, όλα με μικρή εισαγωγή ενέργειας. Η κατασκευή του BirdBot θα μπορούσε επίσης να παρέχει βαθιά νέα ερευνά στη βιολογία, οδηγώντας σε προόδους στο πεδίο.