Forskere konstruerer energivennlig BirdBot

Et team av forskere ved Max Planck Institute for Intelligent Systems (MPI-IS) ledet av Alexander Badri-Spröwitz har konstruert et robotben som er basert på den naturlige modellen av flygeløse fugler. Den nye BirdBot ble skapt med færre motorer enn andre maskiner, og teoretisk sett kunne den skaleres opp til stor størrelse.

Badri-Spröwitz leder Dynamic Locomotion Group, som gjør arbeid i grenseområdene mellom biologi og robotikk. Teamet inkluderte Alborz Aghamaleki Sarvestani, Badri-Spröwitz’ doktorgradsstudent; Metin Sitti, robotikkforsker og direktør ved MPI-IS; og Monica A. Daley, biologiprofessor ved University of California, Irvine.

Forskningen ble publisert i tidsskriftet Science Robotics.

Ser på fugler i naturen

Fugler bruker en bevegelse som innebærer å foldet føttene bakover når de er i svingfasen, og teamet tilskrev denne bevegelsen til en mekanisk kobling.

“Det er ikke nervesystemet, det er ingen elektriske impulser, det er ikke muskelaktivitet,” sier Badri-Spröwitz. “Vi hypoteserte en ny funksjon av fot-leg-koblingen gjennom et nettverk av muskler og senere som strekker seg over flere ledd. Disse multi-ledd-muskel-senere koordinerer fot-folding i svingfasen. I vår robot har vi implementert den koblete mekanikken i benet og foten, som muliggjør energivennlig og robust robot-gang. Våre resultater som demonstrerer denne mekanismen i en robot, gjør oss til å tro at lignende effektivitetsfordeler også gjelder for fugler,” forklarer han.

Teamet testet sin hypotese ved å bygge en robotben modellert etter benet på en flygeløs fugl. Den kunstige fuglebenet ble konstruert uten motor. Den brukte i stedet et ledd som var utstyrt med en fjær og kabel-mekanisme. Forskerne brukte deretter kabler og taljer for å mekanisk koble foten til benets ledd. Hver av disse benene har et hoft-ledd-motor, som er ansvarlig for å svinge benet frem og tilbake, og en liten motor som trekker benet opp ved å bøye kneet.

BirdBot ble testet på en løpebane mens teamet observerte dens fot-folding og ut-folding.

“Foten og leddene trenger ikke aktivering i stå-fasen,” sier Aghamaleki Sarvestani.

“Fjærer driver disse leddene, og multi-ledd-fjær-senemekanismen koordinerer ledd-bevegelser. Når benet trekkes inn i sving-fasen, frigjør foten benets fjær — eller muskel-sen-fjæren, som vi tror skjer i dyr,” fortsetter Badri-Spröwitz.

Null energi når den står

Robotbenet bruker null energi når det står, noe som betyr at det bare trenger en fjerdedel av energien til sin forgjenger.

Når roboten løper, frigjør foten benets fjær med hver ben-sving. For å frigjøre, slakker den store fot-bevegelsen kabelen mens de gjenværende ben-leddene svinger fritt. Dette skaper en overgang av tilstander mellom stående og ben-sving, som vanligvis tilbys roboter av en motor i leddet. En sensor sender også vanligvis en signal til en kontroller som slår av og på robotens motorer.

“Tidligere ble motorer skiftet avhengig av om benet var i sving- eller stå-fasen. Nå overtar foten denne funksjonen i gang-maskinen, mekanisk skifter mellom stående og sving. Vi trenger bare en motor i hoft-leddet og en motor for å bøye kneet i sving-fasen. Vi overlater ben-fjær-aktivering og -frigjøring til fugl-inspirerte mekanismer. Dette er robust, raskt og energivennlig,” sier Badri-Spröwitz.

BirdBot er en fysisk modell som demonstrerer mange av de fantastiske mekanismene til fugler i naturen, som hjelper dem å handle raskt uten å måtte tenke. Hvis det er en bump i bakken, skifter BirdBot-benet mekanisk og uten noen tidsforsinkelse. Akkurat som fugler i naturen, har roboten høy gang-robusthet.

Dette nye forskningsarbeidet kan resultere i meter-høye ben som kan implementeres for å bære roboter med flere tonn vekt, alt med liten kraft-inntasting. Konstruksjonen av BirdBot kan også gi dypt nye innsikter i biologi, som kan føre til fremgang i feltet.

I naturen har roboten høy lokomosjons-robusthet. Dette nye forskningsarbeidet kan resultere i meter-høye ben som kan implementeres for å bære roboter med flere tonn vekt, all med liten kraft-inntasting. Konstruksjonen av BirdBot kan også gi dypt nye innsikter i biologi, som kan føre til fremgang i feltet.