Ученые 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 польових 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 згинанні ніг назад під час фази розгону, 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 простягается через кілька суглобів. Ці багатосуглобові м’язово-сухожилкові координати згинання стопи під час фази розгону. 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 перевірila свою гіпотезу, побудувавши роботизовану ногу, змодельовану за прикладом ноги польового птаха. Штучна нога птаха була створена без двигуна. Замість цього вона використовувала суглоб, оснащений пружиною та механізмом кабеля. Дослідники потім використали кабелі та блоки, щоб механічно зв’язати стопу з суглобами ноги. Кожна з цих ніг має мотор у суглобі тазу, який відповідає за розгін ноги вперед та 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.

“Стопа та суглоби ніг не потребують активності у фазі стояння”, – говорить Агамалекі Сарвестані.

“Пружини живлять ці суглоби, а багатосуглобовий механізм пружини та сухожилля координує рухи суглобів. Коли нога тягнеться у фазу розгону, 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 розгоном ноги. Для відключення великий рух стопи слабить кабель, тоді як інші суглоби ноги розгинаються вільно. Це створює перехід між станами стояння та розгону, який зазвичай забезпечується мотором у суглобі. Чутливий елемент також зазвичай надсилає сигнал контролеру, який умикає мотори робота.

“Раніше мотори умикались залежно від того, чи була нога у фазі розгону чи стояння. Тепер стопа бере на себе цю функцію у ходьбі машини, механічно перемикаючись між станами стояння та розгону. Нам потрібен лише один мотор у суглобі тазу та один мотор, щоб згинати коліно у фазі розгону. 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.