Tutkijat rakentavat energiatehokkaan BirdBotin

Max Planck -instituutin älykkäiden järjestelmien tutkimusryhmässä, jota johtaa Alexander Badri-Spröwitz, on kehitetty lentokyvyttömän linnun jalkaan perustuva robottijalka. Uusi BirdBot on tehty pienemmällä määrällä moottoreita kuin muut koneet, ja teoreettisesti se voisi kasvaa suureksi.

Badri-Spröwitz johtaa dynaamisen liikkeen tutkimusryhmää, joka tekee yhteistyötä biologian ja robotiikan aloilla. Ryhmään kuului Alborz Aghamaleki Sarvestani, Badri-Spröwitzin väitöskirjatutkija; Metin Sitti, robotiikan asiantuntija ja MPI-IS:n johtaja; ja Monica A. Daley, biologian professori Kalifornian yliopistossa, Irvineissa.

Tutkimus julkaistiin Science Robotics -lehdessä.

Mallia luonnon linnuista

Linnut turvautuvat liikkeeseen, jossa ne taittavat jalkateränsä taaksepäin, kun ne ovat heilahduksen vaiheessa, ja tutkijaryhmä osoitti, että tämä liike johtuu mekaanisesta kytkennästä.

“Tässä ei ole kyse hermostosta, sähköimpulsseista, lihasaktiivisuudesta”, Badri-Spröwitz sanoo. “Esitimme hypoteesin jalkaterän ja jalan välisen kytkennän uudesta tehtävästä. Kytkentä muodostuu useiden nivelten yli ulottuvasta lihasten ja jänteiden verkostosta, joka koordinoi jalkaterän taittumista heilahdusvaiheessa. Meidän robotissamme olemme toteuttaneet kytketyn mekaniikan jalkaan ja jalkaterään, mikä mahdollistaa energiatehokkaan ja kestävän kävelyn. Robotissa osoitettu mekanismi antaa meille aiheen uskoa, että samanlaisia tehokkuushyötyjä esiintyy myös linnuilla”, hän selittää.

Tutkijaryhmä testasi hypoteesiaan rakentamalla robotti-jalan, joka mallinnettiin lentokyvyttömän linnun jalasta. Teko-jalka tehtiin ilman moottoria, ja sen sijaan se käytti nivelakselia, jossa oli jouset ja kaapeli. Tutkijat käyttivät kaapeleita ja väkipyöriä kytkemään jalkaterän mekaanisesti jalan niveliin. Jokaisella jalalla on lonkkanivelen moottori, joka on vastuussa jalankääntämisestä eteen- ja taaksepäin, ja pieni moottori, joka vetää jalan ylös polvien taittamisen avulla.

BirdBotia testattiin juoksumatolla, kun tutkijaryhmä tarkkaili sen jalkaterien taittumista ja avautumista.

“Jalkaterän ja jalan niveliä ei tarvitse käyttää moottorilla tukivaiheessa”, Aghamaleki Sarvestani sanoo.

“Jouset käyttävät näitä niveliä, ja usean nivelen jousi-jännemekanismi koordinoi nivelten liikkeitä. Kun jalka vedetään heilahduksen vaiheeseen, jalkaterä vapauttaa jalan jousen kytkennän — tai lihas-jännejousen kytkennän, kuten uskomme sen tapahtuvan eläimissä”, Badri-Spröwitz jatkaa.

Nolla energia seisonnassa

Robotti-jalka käyttää nolla energiaa seisonnassa, mikä tarkoittaa, että se vaatii vain neljänneksen edeltäjänsä energiasta.

Kun robotti juoksee, jalkaterä vapauttaa jalan jousen kytkennän jokaisella heilahduksella. Jalkaterän suuri liike löysää kaapelin, jolloin jalan muut nivelet heilahtavat vapaasti. Näin syntyy siirtymä tukivaiheen ja heilahdusvaiheen välillä, jonka roboteissa yleensä toteuttaa nivelen moottori. Tavallisesti anturi myös lähettää signaalin ohjaimelle, joka kytkee robotin moottorit päälle tai pois.

“Aikaisemmin moottorit kytkettiin päälle tai pois riippuen siitä, oliko jalka heilahdus- vai tukivaiheessa. Nyt jalka ottaa tämän toiminnon kävelykoneessa, ja mekaanisesti vaihtaa tuki- ja heilahdusvaiheen välillä. Tarvitsemme vain yhden moottorin lonkkanivelessä ja yhden moottorin polvien taittamiseen heilahduksen vaiheessa. Jätämme jalan jousien kytkennän ja irrottautumisen lintuihin perustuvaan mekaniikkaan. Tämä on kestävää, nopeaa ja energiatehokasta”, Badri-Spröwitz sanoo.

BirdBot on fyysinen malli, joka osoittaa monia lintujen luonnollisia mekanismeja, kuten mekanismeja, joiden ansiosta ne voivat toimia nopeasti ilman tietoista ajattelua. Jos maassa on este, BirdBotin jalka vaihtaa mekaanisesti ja ilman viivettä. Samoin kuin linnut luonnossa, robotin liikkuminen on erittäin häiriönsietoista.

Tämä uusi tutkimus voi johtaa metrin korkeisiin jalkoihin, jotka voidaan asentaa roboteille, jotka voivat kantaa useita tonneja painoa, kaikki vähäisen virran syötöllä. BirdBotin rakentaminen voi myös antaa uusia oivalluksia biologiaan, mikä voi johtaa edistysaskeliin alalla.