นักวิทยาศาสตร์สร้าง BirdBot ที่มีประสิทธิภาพในการใช้พลังงาน

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

Badri-Spröwitz เป็นผู้นำของ Dynamic Locomotion Group ซึ่งทำงานที่ทับซ้อนกันในด้านชีววิทยาและโรบอทิกส์ ทีมงานประกอบด้วย Alborz Aghamaleki Sarvestani นักศึกษาปริญญาเอกของ 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 จึงทำให้เราเชื่อว่านกอาจได้รับประโยชน์ด้านประสิทธิภาพในลักษณะเดียวกัน”

ทีมงานได้ทดสอบสมมติฐานของตนโดยการสร้างขาโรบอทที่มีแบบจำลองจากขาของนกที่ไม่สามารถบินได้ ขาเทียมของนกถูกสร้างขึ้นโดยไม่มีมอเตอร์ แต่แทนแล้วใช้ข้อที่มีเครื่องมือสปริงและเคเบิล ทีมงานใช้เคเบิลและปูลี่ในการเชื่อมโยงเท้าเข้ากับข้อของขา แต่ละขามีมอเตอร์ที่ข้อสะโพก ซึ่งรับผิดชอบในการแกว่งขาไปมา และมอเตอร์ขนาดเล็กที่ดึงขาขึ้นโดยการงอเข่า

BirdBot ถูกทดสอบบนลู่วิ่งขณะที่ทีมงานสังเกตการพับและคลายเท้า

“ข้อต่อของเท้าและขาไม่ต้องใช้มอเตอร์ขับในระยะลงน้ำหนัก” Aghamaleki Sarvestani กล่าว

“สปริงขับเคลื่อนข้อต่อเหล่านี้ และกลไกสปริงกับเส้นเอ็นที่พาดผ่านหลายข้อต่อช่วยประสานการเคลื่อนไหว เมื่อยกขาเข้าสู่ระยะแกว่ง เท้าจะปลดการเชื่อมต่อสปริงของขา หรือสปริงจากกล้ามเนื้อกับเส้นเอ็น ตามที่เราเชื่อว่าเกิดขึ้นในสัตว์” Badri-Spröwitz กล่าวต่อ

พลังงานเป็นศูนย์เมื่อยืน

ขาโรบอทใช้พลังงานเป็นศูนย์เมื่อยืน ซึ่งหมายความว่ามันใช้พลังงานเพียงหนึ่งในสี่ของพลังงานที่ใช้โดยเครื่องจักรรุ่นก่อน

เมื่อโรบอทกำลังวิ่ง เท้าจะแยกออกจากสปริงของขาในแต่ละครั้งที่ขาแกว่ง เพื่อที่จะแยกออก การเคลื่อนไหวขนาดใหญ่ของเท้าจะทำให้สายเคเบิลหย่อน ขณะที่ข้อต่อส่วนที่เหลือของขาแกว่งได้อย่างอิสระ ซึ่งสร้างการเปลี่ยนแปลงสถานะระหว่างการยืนและการแกว่งขา ซึ่งโดยปกติแล้วจะถูกให้โดยมอเตอร์ที่ข้อ สัญญาณจากเซ็นเซอร์จะส่งสัญญาณไปยังตัวควบคุมที่เปลี่ยนมอเตอร์ของโรบอทเป็นแบบเปิดหรือปิด

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

BirdBot เป็นตัวอย่างของแบบจำลองทางกายภาพที่แสดงให้เห็นถึงกลไกที่น่าประทับใจของนกในธรรมชาติ เช่น การเคลื่อนไหวที่ช่วยให้พวกมันสามารถเคลื่อนไหวได้อย่างรวดเร็วโดยไม่ต้องคิดถึงสิ่งอื่นใด หากมีพื้นขรุขระหรือนูนขึ้น BirdBot จะเปลี่ยนสถานะโดยไม่มีการหน่วงเวลา เช่นเดียวกับนกในธรรมชาติ หุ่นยนต์มีการเคลื่อนที่ที่ทนต่อสิ่งรบกวนได้สูง

การวิจัยใหม่นี้อาจนำไปสู่การสร้างขาที่สูงถึงเมตรที่สามารถใช้ในการยกโรบอทที่มีน้ำหนักหลายตัน โดยใช้พลังงานเพียงเล็กน้อย การก่อสร้าง BirdBot อาจให้ข้อมูลเชิงลึกใหม่ๆ ในด้านชีววิทยา ซึ่งนำไปสู่ความก้าวหน้าในด้านนี้