Ученые Создали Энергоэффективного BirdBot

Команда ученых в Институте Макса Планка по Интеллектуальным Системам (MPI-IS) под руководством Александра Бадри-Спровитца создала роботизированную ногу, основанную на естественной модели бескрылых птиц. Новый BirdBot был создан с меньшим количеством двигателей, чем другие машины, и теоретически он может быть увеличен до большого размера.

Бадри-Спровитц возглавляет группу Динамической Локомоции, которая занимается работой на пересечении биологии и робототехники. В команду входили Альборз Агамалеки Сарвестани, аспирант Бадри-Спровитца; Метин Ситти, робототехник и директор MPI-IS; и Моника А. Дейли, профессор биологии в Университете Калифорнии, Ирвайн.

Исследование было опубликовано в журнале Science Robotics.

Взгляд на Птиц в Природе

Птицы полагаются на движение, которое включает сгибание их ног назад, когда они находятся в фазе размаха, и команда приписала это движение механическому соединению.

«Это не нервная система, это не электрические импульсы, это не мышечная активность», – говорит Бадри-Спровитц. «Мы выдвинули гипотезу о новой функции связи между ногой и ногой через сеть мышц и сухожилий, которая простирается на несколько суставов. Эти многосуставные мышечно-сухожильные координаты сгибания ноги в фазе размаха. В нашем роботе мы реализовали связанную механику в ноге и ноге, что позволяет роботу ходить энергоэффективно и устойчиво. Наши результаты, демонстрирующие этот механизм в роботе, приводят нас к выводу, что подобные преимущества эффективности также справедливы и для птиц», – объясняет он.

Команда проверила свою гипотезу, построив роботизированную ногу, смоделированную по образцу ноги бескрылой птицы. Искусственная нога птицы была построена без двигателя. Вместо этого она полагалась на сустав, оснащенный пружиной и механизмом кабеля. Исследователи затем использовали кабели и блоки, чтобы механически соединить ногу с суставами ноги. Каждая из этих ног имеет двигатель тазобедренного сустава, ответственный за размах ноги туда и обратно, и небольшой двигатель, который тянет ногу вверх, сгибая колено.

BirdBot был протестирован на беговой дорожке, когда команда наблюдала за его движением ноги и ее разгибанием.

«Нога и суставы ноги не нуждаются в актуации в фазе поддержки», – говорит Агамалеки Сарвестани.

«Пружины обеспечивают эти суставы, и многосуставный пружинно-сухожильный механизм координирует движения суставов. Когда нога вытягивается в фазу размаха, нога отключает пружину ноги – или мышечно-сухожильную пружину, как мы считаем, что происходит у животных», – продолжает Бадри-Спровитц.

https://www.youtube.com/watch?v=wwH40rYJt9g

Нулевая Энергия при Стоянии

Роботизированная нога использует нулевую энергию при стоянии, что означает, что она требует только четверть энергии своего предшественника.

Когда робот бежит, нога отключает пружину ноги при каждом размахе ноги. Чтобы отключить, большое движение ноги ослабляет кабель, а оставшиеся суставы ноги качаются свободно. Это создает переход состояния между стоянием и размахом ноги, который обычно обеспечивается роботам двигателем в суставе. Датчик также обычно отправляет сигнал контроллеру, который включает и выключает двигатели робота.

«Ранее двигатели включались в зависимости от того, находился ли сустав в фазе размаха или поддержки. Теперь нога берет на себя эту функцию в ходовой машине, механически переключаясь между фазами поддержки и размаха. Нам нужен только один двигатель в тазобедренном суставе и один двигатель, чтобы согнуть ногу в фазе размаха. Мы оставляем включение и выключение пружины ноги птичьей механике. Это устойчиво, быстро и энергоэффективно», – говорит Бадри-Спровитц.

BirdBot – это физическая модель, демонстрирующая многие удивительные механизмы птиц в природе, такие как те, которые помогают им действовать быстро без необходимости думать. Если на земле есть бугор, нога BirdBot переключает механически и без задержки. Как и птицы в природе, робот имеет высокую устойчивость локомоции.

Это новое исследование может привести к созданию ног высотой в метр, которые могут быть реализованы для переноски роботов с несколькими тоннами веса, все с минимальным энергопотреблением. Строительство BirdBot также может дать глубокие новые знания в биологии, что приведет к достижениям в этой области.