Tutkijat rakentavat energiatehokkaan BirdBotin

Max Planck -instituutin älykkäiden järjestelmien tutkimusryhmässä, jota johtaa Alexander Badri-Spröwitz, on kehitetty lentokyvytön linnun luonnollisen mallin mukainen robotti. Uusi BirdBot on tehty vähemmällä moottoreilla 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.

Katsomassa lintuihin luonnossa

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

“Tässä ei ole kyse hermostosta, sähköimpulsseista, lihasaktiivisuudesta”, Badri-Spröwitz sanoo. “Olemme hypänneet uuden toiminnon jalka-jalkaparan kautta, joka käsittää useita niveletä ja jännetä. Nämä moninivelet liittyvät jalkojen taittamiseen heilahduksen vaiheessa. Meidän robotissamme olemme toteuttaneet kytkennän jalkaan ja jalkaan, mikä mahdollistaa energiatehokkaan ja kestävän kävelyn. Tuloksemme osoittavat, että samaa tehokkuutta voidaan saavuttaa 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 pyöriä kytkemään jalan jalkojen nivelet toisiinsa. Jokaisella jalalla on vyötäröniveleen 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 jalkojen taittumista ja taittamatta jäämistä.

“Jalan ja jalkojen nivelet eivät tarvitse aktiivisuutta askeleen vaiheessa”, Aghamaleki Sarvestani sanoo.

“Jouset voimistavat näitä nivelet, ja moninivel-jousi-jänne mekanismi koordinoi niveli-liikkeitä. Kun jalka vedetään heilahduksen vaiheeseen, jalka irrottaa itsensä jalan jousista – tai lihas-jousista, 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, jalka irrottaa itsensä jalan jousista jokaisen jalankäännön aikana. Jotta irrottaa, suuri jalkaliike löysentää kaapelia, kun taas loput jalankäännökset liikkuvat vapaasti. Tämä luo tilanvaihton, joka on yleensä tarjolla roboteille moottorin avulla. Anturi lähettää myös signaalin ohjaimelle, joka kytketään robottien moottorit päälle ja pois.

“Aikaisemmin moottorit kytkettiin päälle tai pois riippuen siitä, oliko jalka heilahduksen vai askeleen vaiheessa. Nyt jalka ottaa tämän toiminnon kävelykoneessa, ja mekaanisesti vaihtaa askeleen ja heilahduksen välillä. Tarvitsemme vain yhden moottorin vyötärönivelessä 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 niiden nopeutta ja reagointikykyä. Jos maassa on este, BirdBotin jalka vaihtaa mekaanisesti ja ilman viivettä. Samoin kuin linnut luonnossa, robotti on kestävä ja nopea.

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.