エネルギー効率の高いBirdBotの構築

マックス・プランク・インテリジェント・システム研究所（MPI-IS）のアレクサンダー・バドリ＝シュプロイツ率いる科学者チームは、飛行能力のない鳥の自然モデルに基づいたロボットの足を構築しました。新しいBirdBotは、他の機械よりもモーターが少なく、理論的には大規模化することができます。

バドリ＝シュプロイツは、生物学とロボティクスの分野でクロスオーバーする研究を行っているダイナミック・ロコモーション・グループを率いています。チームには、アルボルズ・アガマレキ・サルベスタニ、バドリ＝シュプロイツの博士課程の学生；メティン・シッティ、ロボティクス研究者であり、MPI-ISのディレクター；モニカ・A・デーリー、カリフォルニア大学アーバイン校の生物学教授が含まれます。

この研究は、Science Robotics誌に掲載されました。

自然界の鳥を見つめる

鳥は、スイング・フェーズのときに足を後ろに折る動きに頼っています。この動きは、チームによって機械的な結合と関連付けられました。

「これは神経系ではなく、電気的なインパルスではなく、筋肉の活動ではありません」とバドリ＝シュプロイツは述べています。「私たちは、新しい関数を提案しました。つまり、複数の関節を横切る筋肉と腱のネットワークを通じて足と足の結合が行われるというものです。この多関節の筋肉と腱の結合は、スイング・フェーズの足の折り畳みを調整します。私たちのロボットには、足と足の結合の機械的な結合が実装されており、エネルギー効率の高い歩行と堅牢な歩行が可能になります。ロボットでのこのメカニズムの実証は、鳥にも同様の効率的な利点があることを示唆しています」と説明しています。

チームは、飛行能力のない鳥の足をモデルにしたロボットの足を構築して、仮説をテストしました。人工的な鳥の足は、モーターなしで作られました。代わりに、スプリングとケーブルのメカニズムが備え付けられたジョイントが使用されました。研究者は、ケーブルとプーリーを使用して、足を足の関節に機械的に結合しました。各足には、ヒップ・ジョイント・モーターが付いており、足を前後に振り回す役割を果たします。また、足を上げて膝を曲げる小さなモーターもあります。

BirdBotは、トレッドミルでテストされ、チームは足の折り畳みと展開を観察しました。

「足と足の関節は、スタンス・フェーズでは作動する必要がありません」とアガマレキ・サルベスタニは述べています。

「スプリングがこれらの関節を動かします。多関節のスプリングと腱のメカニズムが関節の動きを調整します。足がスイング・フェーズに引かれるとき、足は足のスプリング、または私たちが動物で起こると考えている筋肉と腱のスプリングを解除します」とバドリ＝シュプロイツは続けています。

立ち位置でのゼロ・エネルギー

ロボットの足は、立ち位置でのエネルギー消費がゼロです。つまり、先代のロボットのエネルギー消費の4分の1しか必要としません。

ロボットが走行中、足は各足のスイングごとに足のスプリングを解除します。解除するために、大きな足の動きがケーブルを緩め、残りの足の関節は自由に動きます。これにより、立ち位置と足のスイングの間で状態の遷移が生じ、通常はモーターによって提供されるものです。センサーも、ロボットのモーターをオン/オフに切り替えるコントローラーに信号を送信します。

「以前は、モーターは足がスイング・フェーズまたはスタンス・フェーズにあるかによって切り替えられていました。現在、足がこの機能を歩行機械で機械的に切り替えます。ヒップ・ジョイントに1つのモーターと、スイング・フェーズで膝を曲げるモーターが必要です。足のスプリングの接続と切断は、鳥にインスパイアされたメカニズムに任せます。これは堅牢で、速く、エネルギー効率が高いです」とバドリ＝シュプロイツは述べています。

BirdBotは、自然界の鳥の驚くべきメカニズムを実証する物理モデルです。例えば、鳥は思考せずに迅速に動くことができます。もし地面に突起がある場合、BirdBotの足は機械的に切り替わり、遅延なく動きます。鳥と同様に、ロボットには高い歩行の堅牢性があります。

この新しい研究により、メートル単位の高さの足が開発され、数トンの重量のロボットを少ない電力で運行することが可能になるでしょう。また、BirdBotの構築は、生物学の分野に新たな洞察をもたらし、進歩につながる可能性があります。