Tiedemiehet rakentavat energiatehokkaan BirdBotin

Alexander Badri-Spröwitzin johtama Max Planck Institute for Intelligent Systems (MPI-IS) tutkijaryhmä on rakentanut robottijalan, joka perustuu lentokyvyttömien lintujen luonnolliseen malliin. Uusi BirdBot luotiin vähemmillä moottoreilla kuin muissa koneissa, ja teoriassa se voisi skaalata suureen kokoon.

Badri-Spröwitz johtaa Dynamic Locomotion Groupia, joka tekee crossover-työtä biologian ja robotiikan aloilla. Ryhmään kuului Badri-Spröwitzin tohtoriopiskelija Alborz Aghamaleki Sarvestani; Metin Sitti, robotiikka ja MPI-IS:n johtaja; ja Monica A. Daley, biologian professori Kalifornian yliopistosta, Irvine.

Tutkimus julkaistiin lehdessä Tiede-robotiikka.

Katselee lintuja luonnossa

Linnut luottavat liikkeeseen, joka sisältää jalkojensa kääntämisen taaksepäin, kun ne ovat keinuvaiheessa, ja ryhmä katsoi tämän liikkeen mekaanisen kytkennän syyksi.

"Se ei ole hermosto, se ei ole sähköimpulsseja, se ei ole lihastoimintaa", Badri-Spröwitz sanoo. "Opisimme jalka-jalkakytkennän uudesta toiminnasta useiden nivelten poikki ulottuvan lihasten ja jänteiden verkoston kautta. Nämä moniniveliset lihas-jänteet koordinoivat jalan taittumista swing-vaiheessa. Olemme robotissamme toteuttaneet jalkaan ja jalkaterään kytketyn mekaniikan, mikä mahdollistaa energiatehokkaan ja vankan robotin kävelyn. Tuloksemme, jotka osoittavat tämän mekanismin robotissa, saavat meidät uskomaan, että samanlaiset tehokkuusedut pätevät myös lintuihin”, hän selittää.

Ryhmä testasi hypoteesiaan rakentamalla robottijalan, joka oli mallinnettu lentokyvyttömän linnun jalan mukaan. Keinotekoinen linnunjalka rakennettiin ilman moottoria. Sen sijaan se luotti niveleen, joka oli varustettu jousi- ja kaapelimekanismilla. Tutkijat käyttivät sitten kaapeleita ja hihnapyöriä kytkeäkseen jalan mekaanisesti jalan niveliin. Jokaisessa näistä jaloista on lonkkanivelmoottori, joka vastaa jalan heilutuksesta edestakaisin, ja pieni moottori, joka vetää jalkaa ylös taivuttamalla polvea.

BirdBotia testattiin juoksumatolla, kun tiimi tarkkaili sen ruoan taittumista ja avautumista.

– Jalka- ja jalkanivelet eivät tarvitse aktivointia asentovaiheessa, Aghamaleki Sarvestani sanoo.

”Jouset antavat voimaa näille nivelille, ja moninivelinen jousi-jännemekanismi koordinoi nivelen liikkeitä. Kun jalka vedetään keinuvaiheeseen, jalka irrottaa jalan jousen – tai lihas-jännejousen, kuten uskomme tapahtuvan eläimillä”, Badri-Spröwitz jatkaa.

Nolla energiaa seistessä

Robotin jalka ei käytä seisoessaan energiaa, eli se vaatii vain neljänneksen edeltäjänsä energiasta.

Kun robotti on käynnissä, jalka irrottaa jalan jousen jokaisella heilahduksella. Irrottaakseen jalan suuri liike löysää kaapelia, kun taas muut jalkanivelet heiluvat löysästi. Tämä luo tilojen siirtymän seisomisen ja jalkojen heilahtelun välillä, mikä yleensä saadaan roboteille nivelessä olevasta moottorista. Anturi lähettää normaalisti myös signaalin ohjaimelle, joka kytkee robotin moottorit päälle ja pois.

”Aiemmin moottoreita vaihdettiin sen mukaan, oliko jalka keinu- vai seisontavaiheessa. Nyt jalka ottaa tämän toiminnon käyttöön kävelykoneessa ja vaihtaa mekaanisesti asennon ja heilahteen välillä. Tarvitsemme vain yhden moottorin lonkkanivelessä ja yhden moottorin polven taivuttamiseen kääntövaiheessa. Jätämme jalkojen jousen kytkemisen ja irrottamisen lintuvaikutteisille mekaniikoille. Tämä on kestävä, nopea ja energiatehokas”, Badri-Spröwitz sanoo.

BirdBot on fyysinen malli, joka esittelee monia luonnon lintujen hämmästyttäviä mekanismeja, kuten sellaisia, jotka auttavat niitä toimimaan nopeasti ilman, että heidän tarvitsee ajatella. Jos maassa on kohouma, BirdBotin jalka kytkeytyy mekaanisesti ja ilman viivettä. Kuten linnut luonnossa, robotilla on hyvä liikkumiskestävyys.

Tämä uusi tutkimus voi johtaa metrin korkeisiin jalkoihin, jotka voidaan toteuttaa kuljettamaan useita tonneja painavia robotteja, joilla kaikilla on vähän tehoa. BirdBotin rakentaminen voisi myös tarjota syvällisiä uusia oivalluksia biologiaan, mikä johtaa alan edistymiseen.