Scienziati Costruiscono BirdBot a Basso Consumo Energetico

Un team di scienziati dell’Istituto Max Planck per i Sistemi Intelligenti (MPI-IS) guidato da Alexander Badri-Spröwitz ha costruito una gamba robotica basata sul modello naturale degli uccelli che non volano. Il nuovo BirdBot è stato creato con meno motori rispetto ad altre macchine e, teoricamente, potrebbe essere scalato a dimensioni più grandi.

Badri-Spröwitz guida il gruppo di locomozione dinamica, che svolge lavori di crossover nei campi della biologia e della robotica. Il team includeva Alborz Aghamaleki Sarvestani, studente di dottorato di Badri-Spröwitz; Metin Sitti, robotista e direttore dell’MPI-IS; e Monica A. Daley, professoressa di biologia all’Università della California, Irvine.

La ricerca è stata pubblicata sulla rivista Science Robotics.

Guardando gli Uccelli in Natura

Gli uccelli si affidano a un movimento che coinvolge la piegatura dei piedi all’indietro quando sono nella fase di oscillazione, e il team ha attribuito questo movimento a un accoppiamento meccanico.

“Non si tratta del sistema nervoso, non ci sono impulsi elettrici, non si tratta di attività muscolare”, dice Badri-Spröwitz. “Abbiamo ipotizzato una nuova funzione dell’accoppiamento gamba-piede attraverso una rete di muscoli e tendini che si estende su più articolazioni. Questi coordinamenti muscolo-tendine multiarticolari piegano il piede nella fase di oscillazione. Nel nostro robot, abbiamo implementato la meccanica accoppiata nella gamba e nel piede, che consente una camminata robotica efficiente in termini di energia e robusta. I nostri risultati che dimostrano questo meccanismo in un robot ci portano a credere che benefici di efficienza simili valgano anche per gli uccelli”, spiega.

Il team ha testato la loro ipotesi costruendo una gamba robotica modellata sulla gamba di un uccello che non vola. La gamba artificiale dell’uccello è stata costruita senza motore. Al suo posto, si è affidato a un’articolazione dotata di un meccanismo a molla e cavo. I ricercatori hanno poi utilizzato cavi e pulegge per accoppiare meccanicamente il piede alle articolazioni della gamba. Ognuna di queste gambe ha un motore dell’articolazione dell’anca, che è responsabile dell’oscillazione della gamba avanti e indietro, e un piccolo motore che solleva la gamba flettendo il ginocchio.

BirdBot è stato testato su una treadmill mentre il team osservava la piegatura e lo svolgimento del cibo.

“L’articolazione del piede e della gamba non richiede azionamento nella fase di stazione”, dice Aghamaleki Sarvestani.

“Le molle azionano queste articolazioni e il meccanismo a molla-tendine multiarticolare coordina i movimenti delle articolazioni. Quando la gamba viene tirata nella fase di oscillazione, il piede disinserisce la molla della gamba – o la molla muscolo-tendine, come crediamo accada negli animali”, continua Badri-Spröwitz.

Zero Energia quando si Sta in Piedi

La gamba del robot utilizza zero energia quando si trova in posizione eretta, il che significa che richiede solo un quarto dell’energia del suo predecessore.

Quando il robot corre, il piede disinserisce la molla della gamba con ogni oscillazione della gamba. Per disinserire, il grande movimento del piede allenta il cavo mentre le restanti articolazioni della gamba oscillano liberamente. Ciò crea una transizione di stati tra la stazione e l’oscillazione della gamba, che di solito è fornita ai robot da un motore all’articolazione. Un sensore invia normalmente un segnale a un controllore che attiva e disattiva i motori del robot.

“In precedenza, i motori venivano attivati o disattivati a seconda di whether la gamba si trovava nella fase di oscillazione o di stazione. Ora il piede assume questa funzione nella macchina che cammina, commutando meccanicamente tra stazione e oscillazione. Abbiamo bisogno di solo un motore all’articolazione dell’anca e di un motore per flettere il ginocchio nella fase di oscillazione. Lasciamo l’attivazione e la disattivazione della molla della gamba alla meccanica ispirata agli uccelli. Ciò è robusto, veloce ed efficiente in termini di energia”, dice Badri-Spröwitz.

BirdBot è un modello fisico che dimostra molti dei meccanismi incredibili degli uccelli in natura, come quelli che li aiutano ad agire rapidamente senza dover pensare. Se c’è un ostacolo sul terreno, la gamba di BirdBot commuta meccanicamente e senza alcun ritardo. Proprio come gli uccelli in natura, il robot ha una robustezza di locomozione molto alta.

Questa nuova ricerca potrebbe portare a gambe alte un metro che potrebbero essere implementate per trasportare robot con diversi tonnellate di peso, tutto con poco input di potenza. La costruzione di BirdBot potrebbe anche fornire nuove intuizioni profonde nella biologia, portando a progressi nel campo.