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 εκτελεί διεπιστημονική έρευνα στους τομείς της βιολογίας και της ρομποτικής. Η ομάδα περιελάμβανε τον Alborz Aghamaleki Sarvestani, τον διδακτορικό φοιτητή του Badri-Spröwitz, τον Metin Sitti, ερευνητή ρομποτικής 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 την αναδίπλωση των πελμάτων τους προς τα πίσω όταν βρίσκονται στη φάση αιώρησης και η ομάδα απέδωσε αυτή την κίνηση σε μια μηχανική σύζευξη.

«Δεν είναι το νευρικό σύστημα, δεν είναι ηλεκτρικά ερεθίσματα, δεν είναι μυική δραστηριότητα», λέει ο Badri-Spröwitz. «Υποθέσαμε μια νέα λειτουργία της σύζευξης πέλματος και ποδιού μέσω ενός δικτύου μυών και τένονων που εκτείνεται σε πολλαπλές αρθρώσεις. Αυτοί οι μύες και τένοντες που διασχίζουν πολλές αρθρώσεις συντονίζουν την αναδίπλωση του πέλματος στη φάση αιώρησης. Στο ρομπότ μας, έχουμε υλοποιήσει τη συνδεδεμένη μηχανική στο πόδι και το πέλμα, το οποίο επιτρέπει την ενεργειακά αποδοτική και ανθεκτική σε διαταραχές βάδιση του ρομπότ. 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 δοκίμασε την υπόθεσή της κατασκευάζοντας ένα ρομποτικό πόδι που μοντελοποιείται από το πόδι ενός πτηνού χωρίς πτήση. Το τεχνητό πόδι του πτηνού κατασκευάστηκε χωρίς κινητήρα. Αντίθετα, βασίζονταν σε μια άρθρωση που ήταν εξοπλισμένη με ένα ελατήριο και μηχανισμό καλωδίου. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν καλώδια και τροχαλίες για να συνδέσουν μηχανικά το πέλμα με τις αρθρώσεις του ποδιού. Κάθε ένα από αυτά τα πόδια έχει έναν κινητήρα στην άρθρωση του ισχίου, ο οποίος είναι υπεύθυνος για την κίνηση του ποδιού προς τα πίσω και προς τα εμπρός, και έναν μικρό κινητήρα που τραβά το πόδι προς τα πάνω με την κάμψη του γονάτου.

Το BirdBot δοκιμάστηκε σε διάδρομο ενώ η ομάδα παρατηρούσε την αναδίπλωση και την έκταση του πέλματος.

«Οι αρθρώσεις του πέλματος και του ποδιού δεν χρειάζονται ενεργοποίηση στη φάση στήριξης», λέει ο Aghamaleki Sarvestani.

«Τα ελατήρια τροφοδοτούν αυτές τις αρθρώσεις και ο μηχανισμός ελατηρίου και τένοντα που διασχίζει πολλές αρθρώσεις συντονίζει τις κινήσεις των αρθρώσεων. Όταν το πόδι τραβιέται στην φάση αιώρησης, το πέλμα 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 πέλμα αποσυνδέει το ελατήριο του ποδιού με κάθε κίνηση του ποδιού. Για να αποσυνδεθεί, η μεγάλη κίνηση του πέλματος χαλαρώνει το καλώδιο ενώ οι υπόλοιπες αρθρώσεις του ποδιού κουνιούνται ελεύθερα. Αυτό δημιουργεί μια μετάβαση καταστάσεων μεταξύ στάσης και κίνησης, η οποία συνήθως παρέχεται σε ρομποτικά από έναν κινητήρα στην άρθρωση. Ένας αισθητήρας επίσης συνήθως στέλνει ένα σήμα σε έναν ελεγκτή που ενεργοποιεί και απενεργοποιεί τους κινητήρες του ρομποτικού.

«Προηγουμένως, οι κινητήρες ενεργοποιούνταν ανάλογα με το αν το πόδι ήταν στη φάση αιώρησης ή της στάσης. Τώρα το πόδι αναλαμβάνει αυτή τη λειτουργία στη μηχανή κίνησης, μεταβαίνοντας μηχανικά μεταξύ στάσης και κίνησης. Χρειαζόμαστε μόνο έναν κινητήρα στην άρθρωση του ισχίου και έναν κινητήρα για να κάμψουμε το γόνατο στη φάση αιώρησης. Αφήνουμε την ενεργοποίηση και απενεργοποίηση του ελατηρίου του ποδιού στη μηχανική του πτηνού. Αυτό είναι ανθεκτικό σε διαταραχές, 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 μια ανωμαλία στο έδαφος, το πόδι του BirdBot μεταβαίνει μηχανικά και χωρίς καθυστέρηση. Όπως και τα πτηνά στη φύση, το ρομπότ έχει υψηλή αντοχή σε διαταραχές κατά τη μετακίνηση.

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 σημαντικές νέες γνώσεις για τη βιολογία, οδηγώντας σε προόδους στο πεδίο.