Các nhà khoa học Xây dựng Robot BirdBot Tiết kiệm Năng lượng

Một nhóm các nhà khoa học tại Viện Hệ thống Thông minh Max Planck (MPI-IS) do Alexander Badri-Spröwitz dẫn đầu đã xây dựng một chân robot dựa trên mô hình tự nhiên của các loài chim không bay. BirdBot mới này được tạo ra với ít động cơ hơn so với các máy móc khác, và về lý thuyết, nó có thể mở rộng đến kích thước lớn.

Badri-Spröwitz dẫn đầu Nhóm Động lực học Động, thực hiện các công việc giao thoa trong lĩnh vực sinh học và robot. Đội ngũ bao gồm Alborz Aghamaleki Sarvestani, sinh viên tiến sĩ của Badri-Spröwitz; Metin Sitti, nhà robot và giám đốc tại MPI-IS; và Monica A. Daley, giáo sư sinh học tại Đại học California, Irvine.

Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Science Robotics.

Nhìn vào Chim trong Thiên nhiên

Chim dựa vào một chuyển động liên quan đến việc gấp chân lại khi chúng ở trong giai đoạn đung đưa, và đội ngũ đã quy kết chuyển động này cho một liên kết cơ học.

“Điều đó không phải là hệ thống thần kinh, không phải là xung điện, không phải là hoạt động của cơ bắp,” Badri-Spröwitz nói. “Chúng tôi đã đưa ra một giả thuyết về một chức năng mới của liên kết chân và chân thông qua một mạng lưới cơ và gân kéo dài qua nhiều khớp. Những cơ và gân này phối hợp để gấp chân lại trong giai đoạn đung đưa. Trong robot của chúng tôi, chúng tôi đã thực hiện cơ học liên kết trong chân và chân, cho phép đi bộ của robot tiết kiệm năng lượng và mạnh mẽ. Kết quả của chúng tôi chứng minh cơ chế này trong một robot khiến chúng tôi tin rằng những lợi ích hiệu quả tương tự cũng đúng đối với chim,” ông giải thích.

Đội ngũ đã kiểm tra giả thuyết của mình bằng cách xây dựng một chân robot được mô phỏng theo chân của một loài chim không bay. Chân chim nhân tạo được xây dựng mà không có động cơ. Thay vào đó, nó dựa vào một khớp được trang bị một cơ chế lò xo và cáp. Các nhà nghiên cứu sau đó sử dụng cáp và puli để liên kết cơ học chân với các khớp của chân. Mỗi chân có một động cơ khớp hông, chịu trách nhiệm đung đưa chân tới lui, và một động cơ nhỏ kéo chân lên bằng cách uốn cong đầu gối.

BirdBot đã được thử nghiệm trên một băng chuyền khi đội ngũ quan sát chân của nó gấp lại và mở ra.

“Chân và khớp không cần hoạt động trong giai đoạn đứng,” Aghamaleki Sarvestani nói.

“Lò xo cung cấp năng lượng cho các khớp này, và cơ chế lò xo và gân đa khớp điều phối các chuyển động khớp. Khi chân được kéo vào giai đoạn đung đưa, chân ngắt kết nối lò xo của chân — hoặc lò xo cơ và gân, như chúng tôi tin rằng nó xảy ra ở động vật,” Badri-Spröwitz tiếp tục.

Không có Năng lượng khi Đứng

Chân robot sử dụng không có năng lượng khi đứng, có nghĩa là nó chỉ cần một phần tư năng lượng so với người tiền nhiệm.

Khi robot đang chạy, chân ngắt kết nối lò xo của chân với mỗi đung đưa chân. Để ngắt kết nối, chuyển động lớn của chân làm lỏng lẻo cáp trong khi các khớp còn lại của chân đung đưa tự do. Điều này tạo ra một chuyển đổi trạng thái giữa đứng và đung đưa chân, thường được cung cấp cho robot bởi một động cơ tại khớp. Một cảm biến cũng thường gửi tín hiệu đến một bộ điều khiển để bật và tắt động cơ của robot.

“Trước đây, động cơ được bật tùy thuộc vào việc chân có ở trong giai đoạn đung đưa hay đứng. Giờ đây, chân thực hiện chức năng này trong máy đi bộ, chuyển đổi cơ học giữa đứng và đung đưa. Chúng tôi chỉ cần một động cơ tại khớp hông và một động cơ để uốn cong đầu gối trong giai đoạn đung đưa. Chúng tôi để việc kết nối và ngắt kết nối lò xo chân cho cơ học lấy cảm hứng từ chim. Điều này mạnh mẽ, nhanh chóng và tiết kiệm năng lượng,” Badri-Spröwitz nói.

BirdBot là một mô hình vật lý thể hiện nhiều cơ chế tuyệt vời của chim trong thiên nhiên, chẳng hạn như những cơ chế giúp chúng hành động nhanh chóng mà không cần phải suy nghĩ. Nếu có một chướng ngại vật trên mặt đất, chân của BirdBot sẽ chuyển đổi cơ học mà không có độ trễ thời gian. Giống như chim trong thiên nhiên, robot có độ mạnh mẽ cao khi di chuyển.

Nghiên cứu mới này có thể dẫn đến việc tạo ra chân cao tới mét, có thể được sử dụng để mang robot có trọng lượng vài tấn, tất cả với rất ít năng lượng đầu vào. Việc xây dựng BirdBot cũng có thể cung cấp những hiểu biết sâu sắc mới về sinh học, dẫn đến những tiến bộ trong lĩnh vực này.