Naukowcy Konstruują Energiooszczędny BirdBot

Zespół naukowców z Max Planck Institute for Intelligent Systems (MPI-IS) pod kierownictwem Alexandra Badri-Spröwitza stworzył robotyczną nogę opartą na naturalnym modelu bezskrzydłych ptaków. Nowy BirdBot został stworzony z mniejszą liczbą silników niż inne maszyny, a teoretycznie mógłby być skalowany do dużych rozmiarów.

Badri-Spröwitz kieruje grupą Dynamic Locomotion Group, która wykonuje prace na styku biologii i robotyki. Zespół składał się z Alborza Aghamaleki Sarvestani, doktoranta Badri-Spröwitza; Metina Sitti, robotyka i dyrektora w MPI-IS; oraz Moniki A. Daley, profesora biologii na Uniwersytecie Kalifornijskim w Irvine.

Badania zostały opublikowane w czasopiśmie Science Robotics.

Spoglądając na Ptaki w Naturze

Ptaki polegają na ruchu, który obejmuje zginanie stopy do tyłu, gdy są w fazie wahadłowej, a zespół przypisał ten ruch mechanicznemu połączeniu.

“To nie jest układ nerwowy, to nie są impulsy elektryczne, to nie jest aktywność mięśniowa”, mówi Badri-Spröwitz. “Założyliśmy nową funkcję połączenia stopy z nogą poprzez sieć mięśni i ścięgien, które rozciągają się na kilka stawów. Te wielostawowe mięśnie i ścięgna koordynują zginanie stopy w fazie wahadłowej. W naszym robocie zaimplementowaliśmy połączone mechaniki w nodze i stopie, co umożliwia energooszczędne i wytrzymałe chodzenie robota. Nasze wyniki demonstrują ten mechanizm w robocie, co nas prowadzi do przekonania, że podobne korzyści efektywności również dotyczą ptaków”, wyjaśnia.

Zespół przetestował swoją hipotezę, budując robotyczną nogę wzorowaną na nodze bezskrzydłego ptaka. Sztuczna noga ptaka została zbudowana bez silnika. Zamiast tego wykorzystywała staw wyposażony w sprężynę i mechanizm linowy. Następnie badacze wykorzystali liny i bloczki, aby mechanicznie połączyć stopę z stawami nogi. Każda z tych nóg ma silnik w stawie biodrowym, który jest odpowiedzialny za unoszenie nogi do przodu i do tyłu, oraz mały silnik, który unosząc nogę, zginając kolano.

BirdBot został przetestowany na bieżni, podczas gdy zespół obserwował zginanie i rozginanie stopy.

“Staw i kolano nie wymagają napędu w fazie stania”, mówi Aghamaleki Sarvestani.

“Sprężyny napędzają te stawy, a wielostawowy mechanizm sprężynowo-ścięgnisty koordynuje ruchy stawów. Gdy noga jest unoszona do fazy wahadłowej, stopa rozłącza sprężynę nogi – lub ścięgno-mięśniową sprężynę, jak uważamy, że dzieje się to u zwierząt”, kontynuuje Badri-Spröwitz.

Zero Energii podczas Stania

Robotyczna noga wykorzystuje zero energii podczas stania, co oznacza, że wymaga tylko jednej czwartej energii swojego poprzednika.

Gdy robot biegnie, stopa rozłącza sprężynę nogi przy każdym unoszeniu nogi. Aby rozłączyć, duży ruch stopy luzuje linę, podczas gdy pozostałe stawy nogi unoszą się swobodnie. Tworzy to przejście stanów pomiędzy staniem a unoszeniem nogi, które zwykle jest zapewniane robotom przez silnik w stawie. Czujnik również zwykle wysyła sygnał do kontrolera, który włącza i wyłącza silniki robota.

“Poprzednio silniki były włączane w zależności od tego, czy noga była w fazie wahadłowej czy stania. Teraz stopa przejmuje tę funkcję w maszynie chodzącej, mechanicznie przełączając się pomiędzy staniem a unoszeniem. Potrzebujemy tylko jednego silnika w stawie biodrowym i jednego silnika, aby zgiąć nogę w fazie wahadłowej. Pozostawiamy zaangażowanie i rozłączenie sprężyny nogi mechanicznej inspiracji ptaków. Jest to wytrzymałe, szybkie i energooszczędne”, mówi Badri-Spröwitz.

BirdBot jest modelem fizycznym demonstrującym wiele niesamowitych mechanizmów ptaków w naturze, takich jak te, które pomagają im działać szybko bez potrzeby myślenia. Jeśli jest na ziemi wyboista, noga BirdBota mechanicznie przełącza się bez opóźnień. Tak jak ptaki w naturze, robot ma wysoką wytrzymałość lokomocji.

To nowe badanie może doprowadzić do stworzenia nóg o wysokości metra, które mogą być zaimplementowane do przenoszenia robotów o wadze kilku ton, wszystko z niewielkim nakładem energii. Budowa BirdBota może również dostarczyć głębokie nowe spojrzenia na biologię, prowadząc do postępów w tej dziedzinie.