Geckos’ Crash-Landing Vaardigheden Kunnen Worden Gebruikt in Robotica

Onderzoekers aan de University of California, Berkeley en het Max Planck Institute for Intelligent Systems in Stuttgart, Duitsland, hebben aangetoond hoe geckos hun staarten gebruiken om zich in de lucht te manoeuvreren. Deze vaardigheid stelt hen in staat om zich te corrigeren wanneer ze vallen na hun grip te hebben verloren, en het kan hen ook helpen om over het oppervlak van een vijver te bewegen.

De resultaten zullen deze week worden gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications Biology.

Deze technieken zijn zeer nuttig in de robotica, en ze worden al toegepast in gecko-achtige robots.

Verbluffende Ontdekkingen Over Geckos

Robert Full is een professor aan de UC Berkeley en Adria Jusufi is een faculteitslid aan de Max Planck Research School for Intelligent Systems en voormalig UC Berkeley-promovendus. De twee hebben een belangrijke en verbluffende nieuwe ontdekking gedaan dat geckos ook hun staarten gebruiken om te herstellen wanneer ze tegen een boom botsen.

Hoofd-eerst botsingen zijn vrij gewoon bij geckos, en Jusufi heeft dit gedocumenteerd met hoge-snelheidsvideo-camera’s.

“Het observeren van de geckos vanuit de hoogte in het regenwoud was oogopenend. Voordat ze afsprongen, zouden ze hun hoofd op en neer en van links naar rechts bewegen om het landingsdoel te bekijken voordat ze sprongen, alsof ze de reisafstand wilden inschatten,” zei Jusufi.

De video’s laten zien dat de gecko, in dit geval de gewone Aziatische platstaartgekko, de stam grijpt met zijn geklauwde en gevoerde tenen wanneer hij frontaal met de boom botst. Dit helpt zijn hoofd en schouders terug te kaatsen, en de gecko heeft de hefboom om zijn staart tegen de stam te drukken, waardoor hij niet achterover tuimelt.

“Verre van stil te staan, versnellen sommige van deze hagedissen nog steeds bij de impact,” zei Jusufi. “Ze botsen frontaal, hellen achterover met hun hoofd over hun hielen op een extreme hoek van de verticale as – ze zien eruit als een boekensteun die van de boom af staat – verankerd door hun achterste benen en staart, terwijl ze de impactenergie verdampen. Met de val-arrestatie-reflex die zo snel gebeurt, kan alleen slow-motionvideo de onderliggende mechanisme onthullen.”

Volgens de wetenschappers kunnen andere kleine en lichte springende dieren zoals hagedissen ook deze technieken gebruiken.

“Ze kunnen langere glijvluchten hebben die meer in evenwicht zijn, en ze landen op een andere manier, maar als ze bijvoorbeeld proberen te ontsnappen, kiezen ze voor dit soort gedrag, deels omdat grootte een rol speelt,” zei Full. “Wanneer je zo klein bent, heb je opties die geen oplossingen zijn voor grote dingen. Dus, dit is een soort lichaams-gefaciliteerde oplossing die je niet hebt als je groter bent.”

Structuren die lijken op geckostaarten kunnen worden gebruikt om vliegende robots zoals drones te helpen stabiliseren, waardoor ze op verticale oppervlakken kunnen landen.

De onderzoekers zijn de eerste die dit gedrag hebben gedocumenteerd, wiskundig gemodelleerd en gereproduceerd in een zachte robot.

“Exaptaties zijn structuren die zijn overgenomen voor veel gedrag, ongeacht waarvoor die structuur oorspronkelijk is geëvolueerd, en hier is er een die je niet verwacht,” zei Full. “Je kunt zien hoe die ongelooflijke capaciteit om robuust te zijn kan toelaten dat deze exaptaties mogelijk zijn.”

“Tot voor kort hadden staarten niet zoveel aandacht gekregen als benen of vleugels, maar mensen realiseren zich nu dat we deze dieren moeten zien als vijfbenig, op een bepaalde manier – pentapedaal,” zei Jusufi.

Volgens Full voegen robotingenieurs steeds meer functionaliteiten toe aan robots, en ze leren dat ze een nieuwe onderdeel kunnen introduceren voor elke capaciteit.

“Terwijl we onze robots en fysieke systemen ontwikkelen, willen alle ingenieurs meer dingen doen. En weet je wat? Op een gegeven moment kun je een robot niet optimaliseren voor alles,” zei hij. “Je moet dingen gebruiken voor andere gedrag om dat gedrag te krijgen.”

https://www.youtube.com/watch?v=LXRAWypJBPI&t=3s

De Robot Bouwen

De onderzoekers hebben een robot met een staart gebouwd nadat ze de onderdelen hadden gemaakt met Carbon M2, een state-of-the-art 3D-printer speciaal ontworpen voor zachte structuren. De voeten waren uitgerust met Velcro, zodat ze konden plakken bij contact, en de staart had een mechanisme dat het naar beneden zou drukken wanneer de voorste benen een oppervlak raakten en gleden.

De robot met een staart heeft soortgelijk succes getoond bij het maken van harde landingen. In de natuur landen geckos met staarten met succes op verticale oppervlakken zonder te vallen 87% van de tijd. Staartloze robots hebben aangetoond dat ze met succes kunnen landen 15% van de tijd in tests, maar de nieuwe robot met een staart kon 55% van de tijd landen in tests.

De onderzoekers hebben ook ontdekt dat robots met staarten die half zo lang zijn als het hoofd en lichaam samen, bijna even succesvol zijn als langere staarten die even lang zijn als de snuit-vent-lengte. Ze hebben ook ontdekt dat korte staartrobots tweemaal de voetkracht nodig hebben om aan de boom te blijven plakken.

Het team zal geckos blijven bestuderen en nieuwe principes zoeken om toe te passen op robots, vooral zachte robots op verticale oppervlakken.

“Evolutie gaat niet over optimaliteit en perfectie, maar eerder over voldoende. De net-genoeg-oplossing speelt echt in op het geven van een breed scala aan capaciteiten, zodat je veel robuuster bent in uitdagende omgevingen,” zei Full. “Evolutie lijkt meer op een klusjesman die nooit weet wat hij zal produceren en alles gebruikt dat hij tot zijn beschikking heeft om iets te maken dat werkt.”

“Kleine boombewonende dieren zonder voor de hand liggende morfologische aanpassingen voor vlucht worden steeds vaker aangetroffen met een verrassende capaciteit voor manoeuvreren in de lucht. Zachte robotische fysieke modellen kunnen helpen om de controle over dergelijke mechanisch bemiddelde oplossingen voor landing te ontcijferen,” zei Jusufi.