科学家构建高效的鸟类机器人BirdBot

马克斯·普朗克智能系统研究所（MPI-IS）的科学家团队由Alexander Badri-Spröwitz领导，构建了一条基于无飞行鸟类的自然模型的机器人腿。新的BirdBot具有比其他机器更少的电机，理论上可以扩大到大尺寸。

Badri-Spröwitz领导着动态运动小组，该小组在生物学和机器人领域进行跨学科工作。该团队包括Alborz Aghamaleki Sarvestani，Badri-Spröwitz的博士生；Metin Sitti，机器人专家和MPI-IS的主任；以及Monica A. Daley，加利福尼亚大学尔湾分校的生物学教授。

该研究发表在《科学机器人》杂志上。

观察自然界中的鸟类

鸟类在摆动阶段会将脚向后折叠，研究团队将这种运动归因于机械耦合。

“这不是神经系统的问题，也不是电脉冲或肌肉活动的问题，”Badri-Spröwitz说。“我们假设了一个新的脚腿耦合功能，通过跨多个关节的肌肉和腱网络。这些多关节肌肉腱协调脚在摆动阶段的折叠。在我们的机器人中，我们在腿和脚中实现了耦合的机械，这使得机器人行走高效且鲁棒。我们的结果表明这种机制在机器人中是有效的，我们相信类似的效率优势也适用于鸟类，”他解释道。

该团队通过构建一个模仿无飞行鸟类腿的机器人腿来测试他们的假设。人工鸟腿没有电机，而是依靠一个带有弹簧和电缆机构的关节。研究人员然后使用电缆和滑轮将脚机械地耦合到腿的关节上。每条腿都有一个髋关节电机，负责将腿来回摆动，还有一个小电机可以通过弯曲膝盖将腿拉起来。

BirdBot在跑步机上进行了测试，团队观察了其脚的折叠和展开。

“在支撑阶段，脚和腿的关节不需要驱动，”Aghamaleki Sarvestani说。

“弹簧为这些关节提供动力，多关节弹簧腱机构协调关节运动。当腿被拉入摆动阶段时，脚解除腿的弹簧——或者说，我们相信在动物中发生的肌肉腱弹簧，”Badri-Spröwitz继续说。

静止时零能耗

机器人腿在静止时不消耗能量，这意味着它只需要前身的四分之一的能量。

当机器人运行时，脚会在每次腿摆动时解除腿的弹簧。为了解除，大的脚运动会松动电缆，而剩余的腿关节会自由摆动。这在静止和腿摆动之间创建了一个状态转换，通常由关节上的电机提供。传感器也会向控制器发送信号，控制器会打开或关闭机器人的电机。

“以前，电机会根据腿是否在摆动或支撑阶段而开启或关闭。现在，脚在行走机器中接管了这个功能，机械地在支撑和摆动之间切换。我们只需要髋关节上的一个电机和一个电机来弯曲摆动阶段的膝盖。我们将腿的弹簧接合和分离留给了鸟类启发的机械。这是鲁棒的，快速的和高效的，”Badri-Spröwitz说。

BirdBot是自然界中鸟类的物理模型，展示了许多令人惊叹的机制，例如帮助它们快速行动而无需思考的机制。如果地面上有一个凸起，BirdBot的腿会机械地切换，而不会有任何时间延迟。就像自然界中的鸟类一样，机器人具有高的运动鲁棒性。

这项新研究可能会导致开发出能够承载几吨重量的机器人腿，所有这些都需要很少的能量输入。BirdBot的构建还可能为生物学领域提供新的深刻见解，带来该领域的进步。