Inżynierowie zaprojektowali roboty, które czołgają się, pływają, latają, a nawet ślizgają się jak wąż, ale żaden robot nie może przytrzymać świecy do wiewiórki, która może zaparkować przez zarośla gałęzi, przeskakiwać po niebezpiecznych lukach i wykonywać pretensjonalne lądowania na najbardziej ciekawych gałęzi.
University of California, Berkeley, biologowie i inżynierowie próbują zaradzić tej sytuacji. Na podstawie badań biomechaniki skoków i lądowań wiewiórki zaprojektowali robota, który może przykleić lądowanie na wąskim okonie.
Wyczyn, który zostanie zgłoszony w numerze czasopisma Science Robotics z 19 marca, jest dużym krokiem w projektowaniu bardziej zwinnych robotów, które mogą przeskakiwać między kratownicami i dźwigami budynków w budowie lub robotów, które mogą monitorować środowisko w splątanych lasach lub baldachanach drzewnych.
„Roboty, które mamy teraz, są w porządku, ale jak przeniesiesz to na wyższy poziom? Jak sprawić, że roboty poruszają się w trudnym środowisku w katastrofie, w której masz rury, belek i przewodów? Wiewiórki mogą to zrobić, nie ma problemu. Roboty nie mogą tego zrobić” – powiedział Robert Full, jeden z starszych autorów Paper i profesora integracji biologii UC Berkeley.
„Wiewiórki to najlepsi sportowcy natury” – dodał Full. „Sposób, w jaki mogą manewrować i uciec, jest niewiarygodny. Chodzi o to, aby spróbować zdefiniować strategie kontrolne, które dają zwierzętom szeroki zakres opcji behawioralnych w celu wykonywania niezwykłych wyczyń i wykorzystania tych informacji do budowy bardziej zwinnych robotów”.
Justin Yim, były absolwent UC Berkeley i autor The Artykuł, przetłumaczył to, co pełne i jego studenci biologii odkryli w wiewiórkach do Salto, jednonożnego robota opracowanego na UC Berkeley w 2016 roku, który mógł już wskoczyć i parkować i przykleić lądowanie, ale tylko na płaskim gruncie. Wyzwanie polegało na przyklejeniu lądowania podczas uderzenia w określony punkt – wąski pręt.
„Jeśli myślisz o próbie skoczenia do punktu – być może robisz coś w stylu Hopsscotch i chcesz wylądować w pewnym miejscu – chcesz przykleić to lądowanie i nie zrobić kroku” – wyjaśnił Yim, teraz asystent profesora nauki mechanicznej i inżynierii na University of Illinois, Urbana Champaign (UIUC). „Jeśli czujesz, że upadniesz do przodu, możesz wiatlaki ręce, ale prawdopodobnie też wstaniesz, aby powstrzymać się od upadku. Jeśli czujesz, że upadniesz do tyłu i być może będziesz musiał usiąść, ponieważ nie będziesz w stanie tego zrobić, jeśli będziecie się swobodnie, gdybyś to zrobił. Zachęci się, powinien wysunąć się i stać wysoko. ”
Korzystając z tych strategii, Yim rozpoczyna finansowany przez NASA projekt zaprojektowania małego, jednonożnego robota, który mógłby odkryć Enceladus, księżyc Saturna, gdzie grawitacja jest osiemdziesiąta na Ziemi, a pojedynczy chmiel może przenieść robota na długość boiska piłkarskiego.
Nowy projekt robota oparty jest na analizie biomechanicznej lądowań wiewiórki szczegółowo opisanej w artykule zaakceptowanym do publikacji w Journal of Experimental Biology i opublikowane online 27 lutego. Full jest starszym autorem, a były student Sebastian Lee jest pierwszym autorem tego artykułu.
Mieszanie biologii i robotyki
Salto, skrót od zwinnej lokomocji Saltatorial na przeszkodach terenowych, powstał dziesięć lat temu w laboratorium Ronalda Fearinga, obecnie profesora w szkole podyplomowej w Departamencie Inżynierii Elektrycznej i Komputerowej w UC Berkeley (EECS). Znaczna część jego skakania, parkingu i zdolności do lądowania jest wynikiem długotrwałej interdyscyplinarnej współpracy między studentami biologii w laboratorium polipedalnym Full Polypedal i studentom inżynierii w Laboratorium Biomimetic Milisystems Fulling.
W ciągu pięciu lat Yim był absolwentem UC Berkeley – uzyskał doktorat. W EEC w 2020 r., Mając obawę jako jego doradca – co drugi tydzień spotkał się z grupą Full, aby uczyć się z ich eksperymentów biologii. Yim próbował wykorzystać zdolność Salto do lądowania pionowo na płaskim miejscu, nawet na zewnątrz, aby trafić w określony cel, jak gałąź. Salto miał już zmotoryzowane koło zamachowe lub koło reakcyjne, aby pomóc mu zrównoważyć, podobnie jak ludzie korzystają z ramion, aby przywrócić równowagę. Ale to nie wystarczyło, aby przykleić bezpośrednie lądowanie na niepewnym okonie. Postanowił spróbować odwrócić silniki, które uruchamiają Salto i wykorzystać je do hamowania podczas lądowania.
Podejrzewając, że wiewiórki zrobiły to samo z nogami podczas lądowania, zespoły biologii i robotyki działały równolegle, aby to potwierdzić i pokazać, że pomoże Salto na lądowanie. Zespół Full oprzyrządował gałąź z czujnikami, które mierzyły siłę prostopadłą do gałęzi, gdy wiewiórka wylądowała i moment obrotowy lub skrętu w odniesieniu do gałęzi, którą wiewiórka nałożyła stopami.
Zespół badawczy stwierdził, oparty na szybkich pomiarach wideo i czujników, że gdy wiewiórki wylądują po heroicznym skoku, zasadniczo wykonują rękę na gałęzi, kierując siłą lądowania przez staw barowy tak mało, jak to możliwe, aby podkreślić staw. Używając podkładek na nogach, chwytają gałąź i skręcają, aby przezwyciężyć nadmiar momentu obrotowego, grozi wysłanie ich nad gałęzią lub pod gałęzią.
„Prawie cała energia – 86% energii kinetycznej – została wchłonięta przez przednie nogi” – powiedział. „Naprawdę robią frontowe stojaki na gałąź, a następnie reszta następuje. Następnie ich stopy generują moment obrotowy podciągającego, jeśli podchodzą; jeśli zamierzają przejść przez górę-potencjalnie przekraczają-generują moment hamowania”.
Być może ważniejsze dla zrównoważenia stwierdzili jednak, że wiewiórki dostosowują również siłę hamowania przyłożoną do gałęzi podczas lądowania, aby zrekompensować nadmierne lub podsumowanie.
„Jeśli zamierzasz podkreślić, to, co możesz zrobić, to generować mniej nogi; twoja noga zapadnie niektóre, a wtedy twoja bezwładność będzie mniejsza, a to z powrotem cię skoryguje”-powiedział Full. „Podczas gdy jeśli przewyższasz, chcesz zrobić coś przeciwnego – chcesz, aby swoje nogi wygenerowały większą siłę przełomową, aby mieć większą bezwładność i spowalnia cię, abyś mógł mieć zrównoważone lądowanie”.
Yim i UC Berkeley, Eric Wang przeprojektowali Salto w celu włączenia regulowanych sił nóg, uzupełniając moment obrotowy koła reakcji. Dzięki tym modyfikacjom Salto był w stanie wskoczyć na gałąź i zrównoważyć kilka razy, pomimo faktu, że nie miał możliwości uścisku stopami, powiedział Yim.
„Postanowiliśmy podążać najtrudniejszą ścieżką i nie dać robota bez możliwości zastosowania obrotowego momentu na gałąź z stopami. Specyficznie zaprojektowaliśmy pasywnego chwytaka, który nawet miał bardzo niskie tarcia, aby zminimalizować ten moment obrotowy” – powiedział Yim. „W przyszłości myślę, że interesujące byłoby zbadanie innych bardziej zdolnych chwytów, które mogłyby drastycznie rozszerzyć zdolność robota do kontrolowania momentu, w którym stosuje się do gałęzi i rozszerzyć swoją zdolność do lądowania. Może nie tylko na gałęziach, ale także na złożonym płaskim gruncie”.
Równolegle, Full bada teraz znaczenie momentu obrotowego stosowanego przez stopę wiewiórki po lądowaniu. W przeciwieństwie do małp wiewiórki nie mają użytecznego kciuka, który pozwala na chwyt prehensile, więc muszą palić gałąź, powiedział. Ale to może być zaleta.
„Jeśli jesteś wiewiórką ściganą przez drapieżnika, takiego jak jastrząb lub inna wiewiórka, chcesz mieć wystarczająco stabilne uścisk, w którym możesz szybko zaparkować oddział, ale niezbyt mocno uścisk” – powiedział. „Nie muszą się martwić o odpuszczenie, po prostu odbijają się”.
Roboty jednonożne mogą brzmieć niepraktycznie, biorąc pod uwagę potencjał przewrócenia się, gdy staje w miejscu. Ale Yim mówi, że w skakaniu naprawdę wysoko jedna noga to droga.
„Jedna noga jest najlepszą liczbą skakania; możesz włożyć największą moc w jedną nogę, jeśli nie rozdzielacie tej mocy między wieloma różnymi urządzeniami. I wady, które otrzymujesz, z zmniejszenia tylko jednej nogi, gdy skakasz wyżej” – powiedział Yim. „Kiedy skaczesz wiele, wielokrotnie wysokość nóg, jest tylko jeden chód, a to jest chód, w którym każda noga dotyka ziemi w tym samym czasie, a każda noga opuszcza ziemię w przybliżeniu w tym samym czasie. Więc w tym momencie posiadanie wielu nóg jest trochę jak posiadanie jednej nogi. Równie dobrze możesz użyć jednej.”
Inni współautorzy artykułu robotyki naukowej obawiają się i były student licencjacki UC Berkeley Eric Wang, obecnie doktorant w MIT, oraz były student Nathaniel Hunt, obecnie profesor na University of Nebraska w Omaha. Współautorzy J. Exp. BIO. Papier to Wang, Hunt, Fearing, UC Berkeley Profesor inżynierii mechanicznej Hannah Stuart i byli studenci UC Berkeley Stanley Wang i Duyi Kuang. Badania zostały sfinansowane przez biuro badań armii amerykańskiej (W911NF-18-1-0038, W911NF-1810327) i National Institutes of Health (P20GM109090).