Группа динамического передвижения из Института интеллектуальных систем им. Макса Планка разработала шагающего робота; это устройство стоит на стыке биологии и робототехники в области биомеханики и нейроуправления. BirdBot с ногами, напоминающими птичьи конечности, требует меньше двигателей, чем другие роботы, и теоретически может масштабироваться до больших размеров.
Так, исследователи изучали ногу страуса. Страусы, некоторые из которых весят более 100 кг, бегают по саванне со скоростью до 55 км/ч. Считается, что выдающаяся двигательная активность страусов обусловлена строением ног животного. В отличие от людей, птицы сгибают ноги назад, когда подтягивают их к телу. При ходьбе люди подтягивают ступни и сгибают колени, но ступни и пальцы ног направлены вперед. Исследователи выдвинули гипотезу о новой функции соединения стопы с ногой через сеть мышц и сухожилий, которая проходит через несколько суставов. Эти многосуставные мышцы и сухожилия координируют сгибание стопы в фазе переноса.
Также исследователи предполагают, что соединение суставов ног и стоп, а также задействованные силы и движения могут быть причиной того, что такое крупное животное, как страус, может не только быстро бегать, но и стоять, не уставая. Человек весом более 100 кг тоже может долго стоять, но только с «запертыми» коленями в вытянутом положении. Если человек немного присядет на корточки, то через несколько минут он уже устанет. Однако птицы даже спят с согнутыми ногами.
Ученые сделали своей задачей создать ногу робота-птицы, которой для удержания конструкции в вертикальном положении не требуется никакой мощности двигателя.
Чтобы проверить свою гипотезу, исследователи сконструировали искусственную птичью ногу без мотора, но с суставом, оснащенным пружинным и тросовым механизмом. Стопа механически связана с остальными суставами ноги с помощью тросов и шкивов. Каждая нога содержит только два двигателя: двигатель тазобедренного сустава, который качает ее вперед и назад, и небольшой двигатель, который сгибает коленный сустав, чтобы поднять ногу.
После сборки исследователи проверили BirdBot на беговой дорожке. «Стопы и суставы ног не нуждаются в активации в фазе опоры», — говорят они. — «Пружины приводят в действие эти суставы, а многосуставной пружинно-сухожильный механизм координирует их движения. Когда ногу подтягивают в фазе переноса, ступня расцепляется с пружиной ноги — или пружиной мышц и сухожилий, как мы полагаем, это происходит у животных».
При этом в положении стоя нога не расходует энергию. «Раньше нашим роботам приходилось работать против пружины стоя или при подтягивании ноги, чтобы предотвратить столкновение с землей во время маха. Однако BirdBot это не нужно, а сам робот потребляет лишь четверть энергии своего предшественника.
Теперь при включении беговой дорожки робонога расцепляется с пружиной, сильное движение стопы ослабляет трос, а оставшиеся суставы свободно раскачиваются. Этот переход состояний между стоянием и махом обеспечивается в конструкциях большинства роботов мотором в суставе, где датчик посылает сигнал контроллеру, который включает и выключает моторы. «Раньше моторы переключались в зависимости от того, находилась ли нога в фазе маха или опоры. Теперь стопа берет на себя эту функцию в шагающем тренажере, механически переключаясь между стойкой и махом. Нам нужен только один двигатель в тазобедренном суставе и один двигатель, чтобы согнуть колено в фазе переноса. Мы оставляем подпружинивание и расцепление ног механике, вдохновленной птицами. Это надежно, быстро и энергоэффективно», — утверждают исследователи.
Ранее ученые заметили, что строение птичьих ног не только экономит энергию при ходьбе и стоянии, но и приспособлено природой так, что животное почти не спотыкается и не травмируется. В систему встроен морфологический интеллект, который позволяет животному действовать быстро, не задумываясь об этом. Животные контролируют свои ноги при передвижении не только с помощью нервной системы, но также осязания или зрения.
«Структура с многосуставными мышцами-сухожилиями и уникальным движением стопы может объяснить, почему даже тяжелые и крупные птицы бегают так быстро, надежно и с низким энергопотреблением. Если я предположу, что все в птице основано на ощущениях и действиях, и животное наступает на неожиданное препятствие, оно может быть не в состоянии среагировать достаточно быстро. Восприятие и осязание, даже передача стимулов и реакция требуют времени», — говорят исследователи.
Однако птицы реагируют быстрее, чем позволяет нервная система, что указывает на механический вклад. Теперь, когда команда разработала BirdBot, физическую модель, непосредственно демонстрирующую, как работают эти механизмы, все стало более понятным: нога переключается механически, если в земле есть неровность. Переключение происходит мгновенно и без временной задержки.
Теоретически такую конструкцию робоноги метровой высоты можно использовать для создания роботов весом в несколько тонн, которые передвигаются с небольшими затратами энергии.
Ранее исследователи робототехники из CSAIL Массачусетского технологического института использовали моделирование на базе искусственного интеллекта, чтобы быстро научить робота-гепарда адаптировать свой стиль ходьбы к обстоятельствам. Робот уже побил рекорд скорости 3,9 м/с, или чуть более 14 км/ч, что быстрее средней скорости бега человека.
