Forskare konstruerar energisnål BirdBot

Ett team av forskare vid Max Planck-institutet för intelligenta system (MPI-IS) under ledning av Alexander Badri-Spröwitz har konstruerat en robotben som baseras på den naturliga modellen av flyglösa fåglar. Den nya BirdBot skapades med färre motorer än andra maskiner, och teoretiskt sett kunde den skalas upp till stor storlek.

Badri-Spröwitz leder Dynamic Locomotion Group, som gör tvärvetenskapligt arbete inom biologi och robotik. Teamet bestod av Alborz Aghamaleki Sarvestani, Badri-Spröwitz doktorand; Metin Sitti, robotforskare och direktör vid MPI-IS; och Monica A. Daley, biologiprofessor vid University of California, Irvine.

Forskningen publicerades i tidskriften Science Robotics.

Att titta på fåglar i naturen

Fåglar förlitar sig på en rörelse som innebär att de viker tillbaka sina fötter när de är i svängfasen, och teamet tillskrev denna rörelse till en mekanisk koppling.

“Det är inte nervsystemet, det är inga elektriska impulser, det är inte muskelaktivitet”, säger Badri-Spröwitz. “Vi hypoteserade en ny funktion för fot-ledkopplingen genom ett nätverk av muskler och senor som sträcker sig över flera leder. Dessa multi-led-muskulatur-senkoordinerar fotveckning i svängfasen. I vår robot har vi implementerat den kopplade mekaniken i benet och foten, vilket möjliggör energisnålt och robust robotgång. Våra resultat som visar denna mekanism i en robot leder oss att tro att liknande effektivitetsfördelar också gäller för fåglar”, förklarar han.

Teamet testade sin hypotes genom att bygga en robotben som modellerades efter en flyglös fågels ben. Den artificiella fågelbenen konstruerades utan motor. Den förlitade sig istället på en led som var utrustad med en fjäder och kabelmekanism. Forskarna använde sedan kablar och block för att mekaniskt koppla foten till benets leder. Var och en av dessa ben har en höftledsmotor, som är ansvarig för att svänga benet fram och tillbaka, och en liten motor som drar benet upp genom att böja knät.

BirdBot testades på en löpband som teamet observerade dess fotveckning och utveckling.

“Foten och lederna behöver inte aktivering i ståfasen”, säger Aghamaleki Sarvestani.

“Fjädrar driver dessa leder, och den multi-led-fjäder-senmekanismen koordinerar led-rörelser. När benet dras in i svängfasen, frigör foten benets fjäder – eller muskel-senfjädern, som vi tror händer i djur”, fortsätter Badri-Spröwitz.

Noll energi när den står

Robotbenen använder noll energi när den står, vilket innebär att den bara kräver en fjärdedel av energin jämfört med sin föregångare.

När roboten springer, frigör foten benets fjäder med varje benrörelse. För att frigöra, slackerar den stora fotrörelsen kabeln medan de återstående benlederna svänger fritt. Detta skapar en övergång mellan stående och benrörelse, som vanligtvis tillhandahålls av en motor i leden. En sensor skickar också normalt ett signal till en kontroller som slår på och av robotens motorer.

“Tidigare var motorer beroende av om benet var i svängfasen eller ståfasen. Nu tar foten över denna funktion i gångmaskinen, mekaniskt växlar mellan stående och svängande. Vi behöver bara en motor i höftleden och en motor för att böja knät i svängfasen. Vi lämnar benets fjäderengagemang och frigöring till den fågelliknande mekaniken. Detta är robust, snabbt och energisnålt”, säger Badri-Spröwitz.

BirdBot är en fysisk modell som demonstrerar många av de fantastiska mekanismerna hos fåglar i naturen, som till exempel de som hjälper dem att agera snabbt utan att behöva tänka. Om det finns en ojämnhet i marken, växlar robotens ben mekaniskt och utan någon tidsfördröjning. Precis som fåglar i naturen, har roboten hög lokomotionsrobusthet.

Denna nya forskning kan resultera i meterhöga ben som kan implementeras för att bära robotar med flera ton vikt, allt med liten energiinmatning. Konstruktionen av BirdBot kan också ge djupa nya insikter i biologi, vilket kan leda till framsteg inom området.