科学家构建节能 BirdBot

由亚历山大·巴德里·斯普罗维茨 (Alexander Badri-Spröwitz) 领导的马克斯·普朗克智能系统研究所 (MPI-IS) 的科学家团队根据不会飞的鸟类的自然模型构建了一条机器人腿。 与其他机器相比，新的 BirdBot 使用的电机更少，理论上，它可以扩展到更大的尺寸。

Badri-Spröwitz 领导动态运动小组，该小组在生物学和机器人领域开展交叉工作。 该团队成员包括 Badri-Spröwitz 的博士生 Alborz Aghamaleki Sarvestani； Metin Sitti，机器人专家兼 MPI-IS 总监； 莫妮卡·A·戴利 (Monica A. Daley)，加州大学欧文分校生物学教授。

这项研究发表在杂志 科学机器人.

寻找大自然中的鸟类

鸟类在摆动阶段依赖一种涉及向后折叠脚的运动，研究小组将这种运动归因于机械耦合。

“这不是神经系统，不是电脉冲，也不是肌肉活动，”巴德里-斯普罗维茨说。 “我们假设通过延伸到多个关节的肌肉和肌腱网络来实现脚腿耦合的新功能。 这些多关节肌肉肌腱在摆动阶段协调足部折叠。 在我们的机器人中，我们在腿和脚上实现了耦合机制，这使得机器人能够高效且稳健地行走。 我们的结果在机器人中证明了这种机制，使我们相信类似的效率优势也适用于鸟类，”他解释道。

该团队通过仿照不会飞的鸟的腿建造了一条机械腿来验证他们的假设。 人造鸟腿的构造没有电机。 相反，它依赖于配备弹簧和电缆机构的接头。 然后研究人员使用电缆和滑轮将脚与腿的关节机械连接。 每条腿都有一个髋关节电机，负责前后摆动腿，还有一个小电机，通过弯曲膝盖将腿向上拉。

BirdBot 在跑步机上进行了测试，团队观察了它的食物折叠和展开。

“脚和腿关节在站立阶段不需要驱动，”Aghamaleki Sarvestani 说。

“弹簧为这些关节提供动力，多关节弹簧腱机制协调关节运动。 当腿进入摆动阶段时，脚会脱离腿的弹簧，或者肌肉肌腱弹簧，正如我们相信动物身上会发生这种情况，”Badri-Spröwitz 继续说道。

站立时零能量

机器人腿站立时使用零能量，这意味着它只需要其前身的四分之一的能量。

当机器人运行时，每次腿部摆动时，脚都会脱离腿部的弹簧。 为了脱离，脚部的大动作使缆线松弛，而其余腿部关节则松散摆动。 这会在站立和腿部摆动之间产生状态转换，这通常由关节处的电机提供给机器人。 传感器通常还会向控制器发送信号，以打开和关闭机器人的电机。

“以前，电机的切换取决于腿是处于摆动阶段还是站立阶段。 现在，脚在行走机中接管了这一功能，在站立和摆动之间机械地切换。 我们只需要一个髋关节电机和一个在摆动阶段弯曲膝盖的电机。 我们将腿部弹簧的接合和脱离留给受鸟类启发的机械装置。 它稳健、快速且节能。”Badri-Spröwitz 说道。

BirdBot 是一个物理模型，展示了自然界中鸟类的许多惊人机制，例如帮助它们无需思考即可快速行动的机制。 如果地面有凹凸，BirdBot 的腿会机械地切换，没有任何时间延迟。 就像自然界的鸟类一样，机器人具有很高的运动鲁棒性。

这项新研究可能会产生一米高的腿，可以用来携带重达数吨的机器人，而且只需很少的功率输入。 BirdBot 的构建还可以为生物学提供深刻的新见解，从而推动该领域的进步。