Wetenschappers bouwen energie-efficiënte BirdBot

Een team van wetenschappers aan het Max Planck Institute for Intelligent Systems (MPI-IS) onder leiding van Alexander Badri-Spröwitz heeft een robotbeen gebouwd dat is gebaseerd op het natuurlijke model van vogels die niet kunnen vliegen. De nieuwe BirdBot is gemaakt met minder motoren dan andere machines en kan theoretisch worden geschaald naar een grote omvang.

Badri-Spröwitz leidt de Dynamic Locomotion Group, die werk doet op het gebied van biologie en robotica. Het team bestond uit Alborz Aghamaleki Sarvestani, Badri-Spröwitz’ promovendus; Metin Sitti, roboticus en directeur bij MPI-IS; en Monica A. Daley, biologieprofessor aan de University of California, Irvine.

Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Science Robotics.

Kijken naar vogels in de natuur

Vogels vertrouwen op een beweging die bestaat uit het naar achteren vouwen van hun voeten wanneer ze in de zwaai-fase zijn, en het team heeft deze beweging toegeschreven aan een mechanische koppeling.

“Het is niet het zenuwstelsel, het zijn geen elektrische impulsen, het is geen spieractiviteit,” zegt Badri-Spröwitz. “We hebben een nieuwe functie van de voet-been-koppeling via een netwerk van spieren en pezen die zich uitstrekt over meerdere gewrichten. Deze multi-joint spier-pees coördineert voetvouwing in de zwaai-fase. In onze robot hebben we de gekoppelde mechanica in het been en de voet geïmplementeerd, waardoor energie-efficiënte en robuuste robotloop mogelijk is. Onze resultaten die deze mechanisme in een robot demonstreren, doen ons geloven dat soortgelijke efficiëntievoordelen ook voor vogels gelden,” legt hij uit.

Het team heeft hun hypothese getest door een robotbeen te bouwen dat is gemodelleerd naar het been van een vogel die niet kan vliegen. Het kunstmatige vogelbeen is gebouwd zonder motor. In plaats daarvan is het uitgerust met een gewricht dat is voorzien van een veer- en kabelmechanisme. De onderzoekers hebben vervolgens kabels en katrollen gebruikt om de voet mechanisch te koppelen aan de gewrichten van het been. Elk van deze benen heeft een heupgewrichtsmotor, die verantwoordelijk is voor het heen en weer zwaaien van het been, en een kleine motor die het been omhoog trekt door de knie te buigen.

BirdBot is getest op een loopband terwijl het team de voet vouwde en ontvouwde.

“De voet en been gewrichten hebben geen aandrijving nodig in de standfase,” zegt Aghamaleki Sarvestani.

“Vermen poweren deze gewrichten, en de multi-joint veer-peesmechanisme coördineert gewrichtsbewegingen. Wanneer het been in de zwaai-fase wordt getrokken, ontgrendelt de voet de veer van het been — of de spier-peesveer, zoals we denken dat het in dieren gebeurt,” vervolgt Badri-Spröwitz.

Nul energieverbruik bij stilstand

Het robotbeen verbruikt nul energieverbruik bij stilstand, wat betekent dat het slechts een kwart van de energie van zijn voorganger nodig heeft.

Wanneer de robot loopt, ontgrendelt de voet de veer van het been met elke beenzwaai. Om te ontgrendelen, maakt de grote voetbeweging de kabel los terwijl de overige been gewrichten los zwaaien. Dit creëert een overgang van toestanden tussen stilstand en beenzwaai, die normaal gesproken door een motor in het gewricht wordt geleverd. Een sensor stuurt ook normaal gesproken een signaal naar een controller die de robotmotoren in- en uitschakelt.

“Vroeger werden motoren ingeschakeld afhankelijk van of het been in de zwaai- of standfase was. Nu neemt de voet deze functie over in de loopmachine, waardoor mechanisch wordt geschakeld tussen stand en zwaai. We hebben alleen een motor nodig in het heupgewricht en een motor om de knie te buigen in de zwaai-fase. We laten de beenveer inschakelen en uitschakelen over aan de vogel-geïnspireerde mechanica. Dit is robuust, snel en energie-efficiënt,” zegt Badri-Spröwitz.

BirdBot is een fysiek model dat veel van de verbazingwekkende mechanismen van vogels in de natuur demonstreert, zoals die welke hen helpen om snel te handelen zonder dat ze hoeven na te denken. Als er een oneffenheid in de grond is, schakelt BirdBot’s been mechanisch en zonder enige vertraging. Net als vogels in de natuur, heeft de robot een hoge looprobustheid.

Dit nieuwe onderzoek kan leiden tot meterhoge benen die kunnen worden geïmplementeerd om robots te dragen met enkele tonnen gewicht, allemaal met weinig energieverbruik. De constructie van BirdBot kan ook diepe nieuwe inzichten bieden in biologie, wat kan leiden tot vooruitgang in het veld.