Oamenii de știință construiesc BirdBot, un robot eficient energetic

O echipă de oameni de știință de la Institutul Max Planck pentru Sisteme Inteligente (MPI-IS), condusă de Alexander Badri-Spröwitz, a construit o picior de robot bazată pe modelul natural al păsărilor care nu pot zbura. Noul BirdBot a fost creat cu mai puține motoare decât alte mașini și, teoretic, ar putea fi scalat la dimensiuni mari.

Badri-Spröwitz conduce Grupul de Locomoție Dinamică, care efectuează lucrări de cercetare la intersecția dintre biologie și robotică. Echipa a inclus Alborz Aghamaleki Sarvestani, studentul doctoral al lui Badri-Spröwitz; Metin Sitti, robotist și director la MPI-IS; și Monica A. Daley, profesor de biologie la Universitatea California, Irvine.

Cercetarea a fost publicată în revista Science Robotics.

Privind spre păsări în natură

Păsările se bazează pe o mișcare care implică îndoirea picioarelor înapoi atunci când se află în faza de balansare, iar echipa a atribuit această mișcare unei cuplări mecanice.

“Nu este vorba de sistemul nervos, nu sunt impulsuri electrice, nu este activitate musculară”, spune Badri-Spröwitz. “Am ipotetizat o funcție nouă a cuplării picior-talpă prin intermediul unei rețele de mușchi și tendoane care se extinde pe mai multe articulații. Aceste coordonate multi-articulare ale mușchilor și tendoanelor permit îndoirea piciorului în faza de balansare. În robotul nostru, am implementat mecanica cuplată în picior și talpă, ceea ce permite o mers robotic eficient energetic și robust. Rezultatele noastre demonstrează acest mecanism într-un robot și ne fac să credem că beneficiile de eficiență similare sunt valabile și pentru păsări”, explică el.

Echipa a testat ipoteza lor construind o picior robotică modelată după piciorul unei păsări care nu poate zbura. Picioarea artificială a păsării a fost construită fără motor. În schimb, a fost echipată cu un articulație care avea un resort și un mecanism de cablu. Cercetătorii au folosit apoi cabluri și pule pentru a cupla mecanic piciorul de articulațiile piciorului. Fiecare dintre aceste picioare are un motor de articulație a șoldului, care este responsabil de balansarea piciorului înapoi și înainte, și un mic motor care trage piciorul în sus prin flexia genunchiului.

BirdBot a fost testat pe o bandă de alergare în timp ce echipa a observat îndoirea și desfășurarea piciorului.

“Articulațiile piciorului și talpei nu necesită acționare în faza de sprijin”, spune Aghamaleki Sarvestani.

“Resorturile alimentează aceste articulații, iar mecanismul multi-articular de resort-tendon coordonează mișcările articulațiilor. Când piciorul este tras în faza de balansare, piciorul dezactivează resortul piciorului – sau resortul mușchi-tendon, așa cum credem că se întâmplă la animale”, continuă Badri-Spröwitz.

Zero energie la stat

Picioarea robotică utilizează zero energie atunci când stă, ceea ce înseamnă că necesită doar o pătrime din energia predecesorului său.

Când robotul rulează, piciorul dezactivează resortul piciorului cu fiecare mișcare a piciorului. Pentru a dezactiva, mișcarea mare a piciorului slăbește cablul, în timp ce articulațiile rămase ale piciorului se balansează liber. Acest lucru creează o tranziție de stări între starea de stat și mișcarea piciorului, care este de obicei furnizată robotului de un motor de la articulație. Un senzor trimite de obicei un semnal unui controler care comută motoarele robotului pe sau off.

“Înainte, motoarele erau comutate în funcție de faza în care se afla piciorul, în faza de balansare sau de sprijin. Acum, piciorul preia această funcție în mașina de mers, comutând mecanic între starea de sprijin și cea de balansare. Avem nevoie doar de un motor la articulația șoldului și de un motor pentru a îndoi genunchiul în faza de balansare. Lăsăm angajarea și dezangajarea resortului piciorului să fie preluate de mecanica inspirată de păsări. Acest lucru este robust, rapid și eficient energetic”, spune Badri-Spröwitz.

BirdBot este un model fizic care demonstrează multe dintre mecanismele uimitoare ale păsărilor din natură, cum ar fi cele care le ajută să acționeze rapid fără a fi nevoie să gândească. Dacă există o denivelare pe sol, piciorul BirdBot comută mecanic și fără nici o întârziere. La fel ca păsările din natură, robotul are o robustețe a deplasării foarte ridicată.

Această nouă cercetare ar putea duce la crearea de picioare de un metru înălțime care pot fi implementate pentru a transporta roboți cu câteva tone de greutate, toate cu o intrare de putere mică. Construcția BirdBot ar putea furniza, de asemenea, noi perspective profunde în biologie, conducând la progrese în domeniu.