Технології
Технології

Робот на пташиних ногах побігав подібно страусам на біговій доріжці

Інженери спільно з біологами відтворили анатомію пари пташиних ніг з надрукованих на 3D-принтері деталей і штучних м'язів та дали їм побігати на біговій доріжці. Робот розвинув швидкість до 7,5 метра на секунду та побігав подібно страусам чи ему. Конструкція кінцівок дає змогу роботу не витрачати зайвої енергії на рух і при цьому не потребує сенсорної системи, а забезпечує його самою механікою ніг. Статтю про BirdBot вчені представили у журналі Science Robotics.

DLG MPI-IS and UC Irvine

DLG MPI-IS and UC Irvine

Як ходять роботи?

Попри те, що роботи вже навчилися доволі спритно бігати на своїх двох, чотирьох та іноді більше ногах, жоден поки не обігнав свої «природні» приклади. Однак, хоч і може здатися, що біг є простою дією, насправді він потребує складної координації рухів кінцівок та швидкої реакції на зміни рельєфу та появу можливих перешкод. Власне всього цього і не вистачає роботам, тому інженери все прискіпливіше приглядаються до анатомії тварин, щоб знайти в них готові рішення.

Біологи зійшлися на думці, що рух кінцівками тваринам забезпечують антагоністичні пари м'язів, які контролюються сенсомоторними нейронними мережами спинного мозку. Вони функціонують як так звані «міотатичні одиниці» — функціональні комплекси м'язів синергістів і антагоністів, які контролюють певний суглоб. У робототехніці ж ця концепція міотатичної одиниці імітується за рахунок контролю розгинання та згинання суглоба за допомогою окремих приводів у кожному суглобі. Приведення в дію суглобів зазвичай контролюється за допомогою складних оптимізованих алгоритмів, які попередньо навчені певним чином реагувати на якусь отриману сенсорну інформацію, залежно від того, чим інженери вирішили наділити робота. Це можуть бути, наприклад, датчики контакту та навантаження у ступнях або всередині конструкції ноги робота.

Завдяки швидкому сенсорному зворотному зв'язку і роботи можуть плавно та, головне, безпечно переходити від ходи до бігу і реагувати на непередбачені обставини, які потрібно обійти, перестрибнути або пригальмувати перед ними. Втім, все це тваринам все ще вдається набагато простіше і спритніше. Тому у пошуках нового «готового» рішення для роботів дослідники Інституту інтелектуальних систем імені Макса Планка, що в Німеччині, взялися за механізми, які опосередковують ходьбу у птахів, а зокрема «найпристосованіших до бігу» безкілевих птахів — ему і страусів.

Badri-Spröwitz et al. / Science Robotics, 2022

Badri-Spröwitz et al. / Science Robotics, 2022

Навіщо роботам пташині ноги?

І знову повертаючись до біології, багатосуглобове з'єднання м'язів і сухожилля може полегшити передачу енергії між суглобами та підвищити ефективність, даючи змогу м'язам працювати ближче до оптимальної швидкості. У багатьох тварин рух забезпечує парна кінематика суглобів, опосередкована багатосуглобовими м'язово-сухожильними одиницями. Так, наприклад, у жаб, коней та безкілевих птахів пасивне механічне з'єднання суглобів не потребує активного контролю з боку центральної нервової системи. Маневровість і витривалість тварин дозволяють припустити, що конструкції роботів можуть виграти від кращого розуміння складніших багатосуглобових пружинних механізмів для досягнення простого, швидкого та менш енерговитратного керування своїми власними кінцівками.

Цим часто послуговуються і натхнені біологією роботи, які демонструють подібні функціональні переваги, рухаючись завдяки аналогічним структурам сполучення суглобів пружними чотиристрижневими та багатосуглобовими тросовими механізмами. Механічно пов'язані приводи можуть знизити загальну потребу в роботі та силі і тим самим підвищити енергоефективність роботів, екзоскелетів та протезів. У цьому дослідженні вчені перевіряють гіпотезу про те, що пташиний механізм зчеплення може замінити більшу частину нейронних ланцюгів, необхідних для керування траєкторією руху ноги та переходами між фазами опори та руху.

Автори роботи придивилися до ніг ему та продемонстрували свою пару ніг — робота BirdBot. Це механізм пружинного зчеплення, який приводиться в дію за допомогою двох приводів на кожну з двох ніг — приводів висування та втягування кульшового суглоба та приводів згинання коліна. Свої вміння з новим підходом BirdBot продемонстрував на біговій доріжці.

Badri-Spröwitz et al. / Science Robotics, 2022

Badri-Spröwitz et al. / Science Robotics, 2022

Як побігали роботизовані пташині ноги?

BirdBot використовує всього два двигуни в кожній надрукованій на 3D-принтері нозі та довгі штучні сухожилля, які охоплюють більше одного суглоба, імітуючи анатомію деяких птахів, які втратили здатність літати і натомість розвинулися, щоб ефективно бігати по землі. Мотори тягнуть сухожилля BirdBot, сила накопичується у пружині під час стиснення та вивільняється, коли кожна нога торкається підлоги, щоб допомогти роботу рухатися вперед. При частоті кроку 1,5 герца BirdBot досягає швидкості 0,75 метра в секунду.

Перед розробниками роботів, які повинні вміти пересуватися на своїх двох або більше ногах, стоїть завдання створити механізми, що забезпечать енергоефективне пересування з надійним та мінімальним управлінням. Роботи, яких вчать бігати, витрачають багато енергії на підтримку своєї маси та навантаження. Автори цієї ж роботи прагнули перевірити гіпотезу про те, що ретельно спроєктована багатосуглобова пружинна мережа сухожилля може повністю підтримувати рухові навантаження робота, координувати передачу механічного навантаження між суглобами і забезпечувати автоматичні фазові переходи від стояння до ходіння і бігу.

Пружинна мережа сухожилля BirdBot швидко переключає ослаблені сегменти ноги в стан навантаження при приземленні, розподіляє навантаження між суглобами, забезпечує швидке розчеплення при відриві зачепа за рахунок пружно накопиченої енергії та координує згинання ноги при маху. За словами інженерів, конструкція ніг BirdBot масштабована, тож він цілком може «вирости» і до розмірів страуса.

New Scientist / YouTube

Це не перша спроба вчених знайти потрібні конструкційні рішення у пташиних ногах. Так, наприклад, американські науковці надихалися сапсанами і розробили для свого дрона пару ніг подібних його лапам, що дало змогу коптеру присідати на гілки та навіть ловити «здобич».


Фото в анонсі: DLG MPI-IS and UC Irvine