Ученые Создали Энергоэффективного Робота BirdBot

Группа ученых из Института интеллектуальных систем Макса Планка (MPI-IS) под руководством Александра Бадри-Спровитца создала роботизированную ногу, основанную на естественной модели нелетающих птиц. Новый BirdBot был создан с меньшим количеством двигателей, чем другие машины, и теоретически может быть увеличен до большого размера.

Бадри-Спровитц возглавляет группу динамической локомоции, которая занимается работой на пересечении биологии и робототехники. В команду входили Алборз Агамалеки Сарвестани, докторант Бадри-Спровитца; Митин 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 складывание стоп назад, когда они находятся в фазе свинга, и команда приписала это движение механическому соединению.

«Это не нервная система, это не электрические импульсы, это не мышечная активность», – говорит Бадри-Спровитц. «Мы выдвинули новую функцию соединения стопы и ноги через сеть мышц и сухожилий, которая простирается через несколько суставов. Эти мышцы и сухожилия, проходящие через несколько суставов, координируют складывание стопы в фазе свинга. В нашем роботе мы реализовали связанную механику в ноге и ступне, что позволяет осуществлять энергоэффективную и устойчивую ходьбу робота. Наши результаты, демонстрирующие этот механизм в роботе, заставляют нас верить, что подобные преимущества эффективности также справедливы и для птиц», – объясняет он.

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

BirdBot был протестирован на беговой дорожке, пока команда наблюдала за складыванием и распрямлением его стопы.

«Суставы стопы и ноги не нуждаются в моторном приводе в фазе стойки», – говорит Агамалеки Сарвестани.

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

Нулевая Энергия при Стоянии

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

Когда робот бежит, стопа отключает пружину ноги при каждом раскачивании ноги. Чтобы отключить, большое движение стопы ослабляет трос, а остальные суставы ноги качаются свободно. Это создает переход состояния между стоянием и раскачиванием ноги, который обычно обеспечивается 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 свинга или стойки. Теперь стопа берет на себя эту функцию в ходьбе, механически переключаясь между стоянием и свингом. Нам нужен только один двигатель в тазобедренном суставе и один двигатель, чтобы согнуть колено в фазе свинга. Мы оставляем включение и выключение пружины ноги птицеподобной 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 каких-либо задержек. Как и птицы в природе, робот имеет высокую устойчивость локомоции.

Это новое исследование может привести к созданию ног высотой в метр, которые можно использовать 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.