Los científicos construyen BirdBot, un robot energéticamente eficiente

Un equipo de científicos del Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes (MPI-IS) liderado por Alexander Badri-Spröwitz ha construido una pierna de robot basada en el modelo natural de las aves no voladoras. El nuevo BirdBot se creó con menos motores que otras máquinas y, teóricamente, podría escalar a un tamaño grande.

Badri-Spröwitz lidera el Grupo de Locomoción Dinámica, que realiza trabajos de cruce en los campos de la biología y la robótica. El equipo incluyó a Alborz Aghamaleki Sarvestani, estudiante de doctorado de Badri-Spröwitz; Metin Sitti, robotista y director en MPI-IS; y Monica A. Daley, profesora de biología en la Universidad de California, Irvine.

La investigación se publicó en la revista Science Robotics.

Mirando a las aves en la naturaleza

Las aves confían en un movimiento que implica doblar sus pies hacia atrás cuando están en la fase de balanceo, y el equipo atribuyó este movimiento a un acoplamiento mecánico.

“No es el sistema nervioso, no son impulsos eléctricos, no es actividad muscular”, dice Badri-Spröwitz. “Hipotetizamos una nueva función del acoplamiento pierna-pie a través de una red de músculos y tendones que se extiende a través de varias articulaciones. Estos músculos y tendones coordinan el plegado del pie en la fase de balanceo. En nuestro robot, hemos implementado la mecánica acoplada en la pierna y el pie, lo que permite una caminata de robot eficiente y robusta. Nuestros resultados que demuestran este mecanismo en un robot nos llevan a creer que beneficios de eficiencia similares también son válidos para las aves”, explica.

El equipo probó su hipótesis construyendo una pierna robótica modelada según la pierna de una ave no voladora. La pierna artificial de ave se construyó sin motor. En su lugar, se basó en una articulación equipada con un mecanismo de resorte y cable. Los investigadores luego usaron cables y poleas para acoplar mecánicamente el pie a las articulaciones de la pierna. Cada una de estas piernas tiene un motor de articulación de cadera, que es responsable de balancear la pierna hacia adelante y hacia atrás, y un pequeño motor que tira de la pierna hacia arriba flexionando la rodilla.

BirdBot se probó en una cinta de correr mientras el equipo observaba el plegado y desplegado de su alimento.

“Las articulaciones del pie y la pierna no necesitan activación en la fase de apoyo”, dice Aghamaleki Sarvestani.

“Los resortes alimentan estas articulaciones, y el mecanismo de resorte y tendón de múltiples articulaciones coordina los movimientos de las articulaciones. Cuando la pierna se tira hacia la fase de balanceo, el pie desconecta el resorte de la pierna — o el resorte de músculo y tendón, como creemos que sucede en los animales”, continúa Badri-Spröwitz.

Cero energía al estar de pie

La pierna del robot utiliza cero energía al estar de pie, lo que significa que solo requiere un cuarto de la energía de su predecesor.

Cuando el robot está corriendo, el pie desconecta el resorte de la pierna con cada balanceo de la pierna. Para desconectar, el gran movimiento del pie afloja el cable mientras las articulaciones restantes de la pierna se balancean libremente. Esto crea una transición de estados entre el apoyo y el balanceo de la pierna, que normalmente se proporciona a los robots mediante un motor en la articulación. Un sensor también envía normalmente una señal al controlador que enciende y apaga los motores del robot.

“Anteriormente, los motores se activaban dependiendo de si la pierna estaba en la fase de balanceo o de apoyo. Ahora el pie toma sobre esta función en la máquina de caminar, cambiando mecánicamente entre el apoyo y el balanceo. Solo necesitamos un motor en la articulación de la cadera y un motor para doblar la rodilla en la fase de balanceo. Dejamos la conexión y desconexión del resorte de la pierna a la mecánica inspirada en las aves. Esto es robusto, rápido y eficiente en términos de energía”, dice Badri-Spröwitz.

BirdBot es un modelo físico que demuestra muchos de los mecanismos asombrosos de las aves en la naturaleza, como aquellos que les ayudan a actuar rápidamente sin tener que pensar. Si hay un bache en el suelo, la pierna de BirdBot cambia mecánicamente y sin retraso. Al igual que las aves en la naturaleza, el robot tiene una gran robustez en la locomoción.

Esta nueva investigación podría resultar en piernas de metro de alto que se puedan implementar para transportar robots con varios toneladas de peso, todo con poca entrada de energía. La construcción de BirdBot también podría proporcionar nuevas y profundas perspectivas en biología, lo que llevaría a avances en el campo.