นักวิทยาศาสตร์สร้าง BirdBot ที่มีประสิทธิภาพในการใช้พลังงาน

ทีมนักวิทยาศาสตร์จาก Max Planck Institute for Intelligent Systems (MPI-IS) นำโดย Alexander Badri-Spröwitz ได้สร้างขาโรบอทที่อาศัยแบบจำลองการบินของนกที่ไม่สามารถบินได้ BirdBot ใหม่นี้ถูกสร้างขึ้นด้วยมอเตอร์น้อยกว่าเครื่องจักรอื่นๆ และทางทฤษฎีแล้วมันสามารถขยายขนาดได้ใหญ่

Badri-Spröwitz เป็นผู้นำของ Dynamic Locomotion Group ซึ่งทำงานที่ทับซ้อนกันในด้านชีววิทยาและโรบอทิกส์ ทีมงานประกอบด้วย Alborz Aghamaleki Sarvestani นักศึกษาระดับ博士ของ Badri-Spröwitz, Metin Sitti โรบอทิกส์และผู้อำนวยการของ MPI-IS และ Monica A. Daley ศาสตราจารย์ด้านชีววิทยาจาก University of California, Irvine

การวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Science Robotics

มองไปที่นกในธรรมชาติ

นกพึ่งพาการเคลื่อนที่ที่เกี่ยวข้องกับการพับเท้าไปข้างหลังเมื่อพวกมันอยู่ในระยะการแกว่ง และทีมงานได้ให้เครดิตการเคลื่อนไหวนี้กับการเชื่อมโยงทางกล

“ไม่ใช่ระบบประสาท ไม่ใช่แรงกระตุ้นไฟฟ้า ไม่ใช่การเคลื่อนไหวของกล้ามเนื้อ” Badri-Spröwitz กล่าว “เราได้สมมติหน้าที่ใหม่ของการเชื่อมโยงระหว่างเท้าและขาโดยผ่านเครือข่ายของกล้ามเนื้อและเส้นเอ็นซึ่งครอบคลุมหลายข้อ ทั้งหมดนี้ช่วยให้การพับเท้าในระยะการแกว่ง ในโรบอทของเราเราได้ใช้กลไกที่เชื่อมโยงกันในขาและเท้า ซึ่งช่วยให้การเดินของโรบอทมีประสิทธิภาพและแข็งแรง ผลลัพธ์ของเราแสดงให้เห็นว่ากลไกนี้มีประสิทธิภาพในโรบอท และเรามั่นใจว่าผลประโยชน์ที่คล้ายกันจะเกิดขึ้นในนกด้วย”

ทีมงานได้ทดสอบสมมติฐานของตนโดยการสร้างขาโรบอทที่มีแบบจำลองจากขาของนกที่ไม่สามารถบินได้ ขาเทียมของนกถูกสร้างขึ้นโดยไม่มีมอเตอร์ แต่แทนแล้วใช้ข้อที่มีเครื่องมือสปริงและเคเบิล ทีมงานใช้เคเบิลและปูลี่ในการเชื่อมโยงเท้าเข้ากับข้อของขา แต่ละขามีหนึ่งข้อที่มีมอเตอร์ ซึ่งรับผิดชอบในการแกว่งขาไปมา และมอเตอร์ขนาดเล็กที่ดึงขาขึ้นโดยการงอเข่า

BirdBot ถูกทดสอบบนเครื่องเดินโดยทีมงานสังเกตการเคลื่อนไหวของเท้าและขา

“ข้อและข้อเท้าไม่ต้องการการกระตุ้นในระยะการยืน” Aghamaleki Sarvestani กล่าว

“สปริงให้พลังงานแก่ข้อและกลไกสปริง-เส้นเอ็นช่วยให้การเคลื่อนไหวของข้อ When the leg is pulled into swing phase, the foot disengages the leg’s spring — or the muscle-tendon spring, as we believe it happens in animals,” Badri-Spröwitz continues.

พลังงานเป็นศูนย์เมื่อยืน

ขาโรบอทใช้พลังงานเป็นศูนย์เมื่อยืน ซึ่งหมายความว่ามันใช้พลังงานเพียงหนึ่งในสี่ของพลังงานที่ใช้โดยเครื่องจักรรุ่นก่อน

เมื่อโรบอทกำลังวิ่ง เท้าจะแยกออกจากสปริงของขาในแต่ละครั้งที่ขาแกว่ง เพื่อที่จะแยกออก สปริงขนาดใหญ่จะทำให้เคเบิลหลุดออกจากข้อที่เหลือ และข้อจะแกว่งไปมาโดยไม่มีการกระตุ้น ซึ่งสร้างการเปลี่ยนแปลงสถานะระหว่างการยืนและการแกว่งขา ซึ่งโดยปกติแล้วจะถูกให้โดยมอเตอร์ที่ข้อ สัญญาณจากเซ็นเซอร์จะส่งสัญญาณไปยังตัวควบคุมที่เปลี่ยนมอเตอร์ของโรบอทเป็นแบบเปิดหรือปิด

“ก่อนหน้านี้ มอเตอร์จะถูกเปลี่ยนขึ้นอยู่กับว่าขาอยู่ในระยะการแกว่งหรือยืนอยู่หรือไม่ แต่ตอนนี้เท้าจะรับหน้าที่นี้ในเครื่องเดิน โดยการเปลี่ยนสถานะระหว่างการยืนและการแกว่งขาโดยไม่ต้องใช้มอเตอร์ เราต้องการมอเตอร์เพียงหนึ่งตัวที่ข้อและมอเตอร์หนึ่งตัวในการงอเข่าในระยะการแกว่ง เราปล่อยให้การเชื่อมต่อและแยกสปริงของขาให้กับกลไกที่ได้แรงบันดาลใจจากนก ซึ่งเป็นการทำงานที่มีประสิทธิภาพและรวดเร็ว” Badri-Spröwitz กล่าว

BirdBot เป็นตัวอย่างของแบบจำลองทางกายภาพที่แสดงให้เห็นถึงกลไกที่น่าประทับใจของนกในธรรมชาติ เช่น การเคลื่อนไหวที่ช่วยให้พวกมันสามารถเคลื่อนไหวได้อย่างรวดเร็วโดยไม่ต้องคิดถึงสิ่งอื่นใด หากมีกระบวนการบนพื้น BirdBot จะเปลี่ยนสถานะโดยไม่มีการหน่วงเวลา เช่นเดียวกับนกในธรรมชาติ โรบอทมีประสิทธิภาพในการเคลื่อนไหวสูง

การวิจัยใหม่นี้อาจนำไปสู่การสร้างขาที่สูงถึงเมตรที่สามารถใช้ในการยกโรบอทที่มีน้ำหนักหลายตัน โดยใช้พลังงานเพียงเล็กน้อย การก่อสร้าง BirdBot อาจให้ข้อมูลเชิงลึกใหม่ๆ ในด้านชีววิทยา ซึ่งนำไปสู่ความก้าวหน้าในด้านนี้