Вчені створили енергоефективного BirdBot

Команда вчених з Max Planck Institute for Intelligent Systems (MPI-IS) на чолі з Александром Бадрі-Спровітцом створила роботизовану ногу, яка заснована на природній моделі нелітаючих птахів. Новий BirdBot був створений з меншою кількістю двигунів, ніж інші машини, і теоретично міг би бути збільшений у розмірі.

Бадрі-Спровітц очолює групу Dynamic Locomotion Group, яка проводить дослідження на перетині біології та робототехніки. До команди входили Алборз Агамалекі Сарвестані, докторант Бадрі-Спровітца; Метін Сітті, робототехнік і директор MPI-IS; та Моніка А. Дейлі, професор біології Університету Каліфорнії в Ірвайні.

Дослідження було опубліковано в журналі Science Robotics.

Огляд птахів у природі

Птахи використовують рух, який полягає у складанні стоп назад під час фази перенесення ноги, і команда приписала цей рух механічному зв’язку.

“Це не нервова система, це не електричні імпульси, це не м’язова активність”, – говорить Бадрі-Спровітц. “Ми припустили нову функцію зв’язку між нігами та стопами через мережу м’язів та сухожилля, яка простягається через кілька суглобів. Ці м’язи й сухожилля, що проходять через кілька суглобів, координують складання стопи під час фази перенесення ноги. У нашому роботі ми реалізували механічний зв’язок у нозі та стопі, який дозволяє енергоефективно та надійно рухатися. Наші результати, які демонструють цей механізм у роботі, ведуть нас до висновку, що подібні переваги також справедливі для птахів”, – пояснює він.

Команда перевірила свою гіпотезу, побудувавши роботизовану ногу, змодельовану за прикладом ноги нелітаючого птаха. Штучна нога птаха була створена без двигуна. Замість цього вона використовувала суглоб, оснащений пружиною та механізмом кабеля. Дослідники потім використали троси та шківи, щоб механічно зв’язати стопу з суглобами ноги. Кожна з цих ніг має мотор у кульшовому суглобі, який відповідає за мах ноги вперед і назад, та малий мотор, який тягне ногу вгору, згинаючи коліно.

BirdBot був протестований на біговій доріжці, під час чого команда спостерігала за згинанням та розгинанням стопи.

“Суглоби стопи й ноги не потребують моторного приводу у фазі стояння”, – говорить Агамалекі Сарвестані.

“Пружини живлять ці суглоби, а багатосуглобовий механізм пружини та сухожилля координує рухи суглобів. Коли нога тягнеться у фазу перенесення ноги, стопа відключає пружину ноги – або м’язово-сухожилкову пружину, як ми вважаємо, що відбувається у тварин”, – продовжує Бадрі-Спровітц.

Нульова енергія під час стояння

Роботизована нога використовує нульову енергію під час стояння, що означає, що вона потребує лише чверть енергії свого попередника.

Коли робот рухається, стопа відключає пружину ноги з кожним махом ноги. Для відключення великий рух стопи слабить кабель, тоді як інші суглоби ноги вільно гойдаються. Це створює перехід між станами опори та перенесення ноги, який зазвичай забезпечується мотором у суглобі. Чутливий елемент також зазвичай надсилає сигнал контролеру, який вмикає та вимикає мотори робота.

“Раніше мотори умикались залежно від того, чи була нога у фазі перенесення ноги чи стояння. Тепер стопа бере на себе цю функцію у ходьбі машини, механічно перемикаючись між станами опори та перенесення ноги. Нам потрібен лише один мотор у кульшовому суглобі та один мотор, щоб згинати коліно у фазі перенесення ноги. Ми залишаємо включення та виключення пружини ноги роботизованій механіці, натхненній птахами. Це надійно, швидко та енергоефективно”, – говорить Бадрі-Спровітц.

BirdBot – це фізична модель, яка демонструє багато дивовижних механізмів птахів у природі, таких як ті, які допомагають їм діяти швидко без потреби думати. Якщо на землі є перешкода, нога BirdBot механічно перемикається без жодної затримки. Як і птахи у природі, робот має високу рухливу надійність.

Це нове дослідження може привести до створення роботизованих ніг висотою в метр, які можуть бути використані для транспортування роботів з кількома тоннами ваги, все з мінімальним енерговкладом. Будівництво BirdBot також може надати глибокі нові знання у галузі біології, що приведе до досягнень у цій галузі.