Stonogi znane są z chybotliwego chodzenia. Z dziesiątkami do setek nóg mogą przemierzać każdy teren bez zatrzymywania się.
„Kiedy widzisz pędzącą stonogę, zasadniczo widzisz zwierzę zamieszkujące świat, który bardzo różni się od naszego świata ruchu” – powiedział Daniel Goldman, profesor rodziny Dunn w School of Physics. „Nasz ruch jest w dużej mierze zdominowany przez bezwładność. Jeśli wymachuję nogą, ląduję na stopie i poruszam się do przodu. Ale w świecie stonóg, jeśli przestają poruszać częściami ciała i kończynami, w zasadzie natychmiast przestają się poruszać”.
Zaintrygowany, czy wiele kończyn może być pomocne w poruszaniu się w tym świecie, zespół fizyków, inżynierów i matematyków z Georgia Institute of Technology wykorzystuje ten styl poruszania się na swoją korzyść. Opracowali nową teorię poruszania się na wielu nogach i stworzyli modele robotów z wieloma nogami, odkrywając, że robot ze zbędnymi nogami może poruszać się po nierównych powierzchniach bez dodatkowych czujników lub technologii sterowania, jak przewidywała teoria.
Roboty te mogą poruszać się po skomplikowanym, wyboistym terenie – i istnieje potencjał wykorzystania ich w rolnictwie, eksploracji kosmosu, a nawet poszukiwaniach i ratownictwie.
Naukowcy przedstawili swoje prace w artykułach „Multigged Matter Transport: A Framework for Locomotion on Noisy Landscapes” w Science in May oraz „Self-Propulsion via Slipping: Frictional Swimming in Multilegged Locomotors” w Proceedings of the National Academy of Sciences w marcu.
Noga w górę
W artykule Science motywacją naukowców była teoria komunikacji matematyka Claude’a Shannona, która pokazuje, jak niezawodnie przesyłać sygnały na odległość, aby zrozumieć, dlaczego wielonożny robot był tak skuteczny w poruszaniu się. Teoria komunikacji sugeruje, że jednym ze sposobów zapewnienia, że wiadomość dotrze z punktu A do punktu B na hałaśliwej linii, nie jest wysłanie jej jako sygnału analogowego, ale podzielenie jej na dyskretne jednostki cyfrowe i powtórzenie tych jednostek z odpowiednim kodem .
„Zainspirowała nas ta teoria i próbowaliśmy sprawdzić, czy redundancja może być pomocna w transporcie materii” – powiedział Baxi Chong, doktor habilitowany z fizyki. „Rozpoczęliśmy więc ten projekt, aby zobaczyć, co by się stało, gdybyśmy mieli więcej nóg robota: cztery, sześć, osiem nóg, a nawet 16 nóg”.
Zespół kierowany przez Chonga, w tym doktor habilitowany z School of Mathematics, Daniel Irvine i profesor Greg Blekherman, opracował teorię, która sugeruje, że dodanie par nóg do robota zwiększa jego zdolność do solidnego poruszania się po trudnych powierzchniach – koncepcję, którą nazywają nadmiarowością przestrzenną. Ta redundancja sprawia, że nogi robota odnoszą sukcesy same, bez potrzeby stosowania czujników interpretujących otoczenie. Jeśli jedna noga się chwieje, obfitość nóg utrzymuje ją w ruchu niezależnie od tego. W efekcie robot staje się niezawodnym systemem do transportu samego siebie, a nawet ładunku z punktu A do punktu B na trudnych lub „hałaśliwych” terenach. Koncepcja ta jest porównywalna do tego, w jaki sposób można zagwarantować punktualność w transporcie kołowym, jeśli tory lub szyny są wystarczająco gładkie, ale bez konieczności inżynierii środowiska, aby zapewnić tę punktualność.
„W przypadku zaawansowanego robota dwunożnego zazwyczaj potrzeba wielu czujników do sterowania nim w czasie rzeczywistym” – powiedział Chong. „Ale w zastosowaniach takich jak poszukiwania i ratownictwo, eksploracja Marsa, a nawet mikroroboty, istnieje potrzeba kierowania robotem o ograniczonym wykrywaniu. Istnieje wiele powodów takiej inicjatywy bez czujników. Czujniki mogą być drogie i delikatne lub środowisko może zmieniać się tak szybko, że nie zapewnia wystarczającego czasu reakcji kontrolera czujnika”.
Aby to sprawdzić, Juntao He, dr. student robotyki, przeprowadził serię eksperymentów, w których on i Daniel Soto, student studiów magisterskich w Szkole Inżynierii Mechanicznej im. George’a W. Woodruffa, budowali tereny naśladujące niespójne środowisko naturalne. Następnie przetestował robota, zwiększając za każdym razem liczbę nóg o dwa, zaczynając od sześciu, a ostatecznie zwiększając liczbę nóg do 16. Wraz ze wzrostem liczby nóg robot mógł poruszać się po terenie zwinniej, nawet bez czujników[PGR1] , jak przewidywała teoria. Ostatecznie przetestowali robota na zewnątrz, w prawdziwym terenie, gdzie był w stanie poruszać się w różnych środowiskach.
„To naprawdę imponujące móc obserwować biegłość wielonożnego robota w poruszaniu się zarówno po terenach laboratoryjnych, jak i na zewnątrz” – powiedział Juntao. „Podczas gdy roboty dwunożne i czworonożne w dużym stopniu polegają na czujnikach podczas pokonywania złożonego terenu, nasz robot wielonożny wykorzystuje redundancję nóg i może wykonywać podobne zadania przy sterowaniu w pętli otwartej”.
Następne kroki
Naukowcy już stosują swoje odkrycia w rolnictwie. Goldman jest współzałożycielem firmy, która aspiruje do wykorzystania tych robotów do chwastów na polach uprawnych, na których środki chwastobójcze są nieskuteczne.
“Są trochę jak Roomba, ale na zewnątrz dla złożonego podłoża” – powiedział Goldman. „Roomba działa, ponieważ ma koła, które dobrze poruszają się po płaskim terenie. Do czasu opracowania naszej ramy nie mogliśmy z całą pewnością przewidzieć niezawodności lokomotywy na wyboistym, kamienistym, pokrytym gruzem terenie. Teraz mamy początki takiego schematu, które mogłyby być wykorzystane do zapewnienia, że nasze roboty przemierzają pole uprawne w określonym czasie”.
Naukowcy chcą też udoskonalić robota. Wiedzą, dlaczego szkielet robota stonoga jest funkcjonalny, ale teraz określają optymalną liczbę nóg, aby uzyskać ruch bez wykrywania w sposób, który jest opłacalny, ale nadal zachowuje korzyści.
„W tym artykule zapytaliśmy:„ Jak przewidujesz minimalną liczbę nóg do wykonania takich zadań? ”- powiedział Chong. „Obecnie udowadniamy tylko, że istnieje minimalna liczba, ale nie znamy dokładnej liczby potrzebnych nóg. Co więcej, musimy lepiej zrozumieć kompromis między energią, szybkością, mocą i wytrzymałością w tak złożonym systemie”.