De robotbenen zijn ontworpen in harsstijl

Onderzoekers hebben een robotbeen gebouwd, dankzij een op graniet geïnspireerde voet-naar-voet koppeling, waarvoor weinig tot geen motor- en besturingstechnologie nodig is. Dit maakt het “BirdBot-systeem” zeer energiezuinig en stabiel, blijkt uit tests in de loopband. Wetenschappers zeggen dat het concept op een dag robots kan verplaatsen die enkele tonnen wegen met weinig inspanning. De bevindingen zijn echter niet alleen belangrijk voor robotica, maar werpen ook licht op de biologische basis van het anatomische concept.

Hij beweegt licht op twee poten met een snelheid tot 55 kilometer per uur: de struisvogel, die tot 100 kilogram kan wegen, demonstreert de efficiëntie van het voortbewegingssysteem van de loopvogel. In tegenstelling tot onze rechtopstaande gang, heeft het anatomische principe diepe wortels in de evolutionaire geschiedenis: Tyrannosaurus en Co hadden al een vergelijkbare beenstructuur als de vogels van vandaag. Blijkbaar is het een concept dat zich bewezen heeft door zijn actieve en functionele voordelen. Maar wat is het geheim van de vogelpoot en in hoeverre kunnen de mechanismen ervan worden overgedragen naar robotsystemen? Wetenschappers onder leiding van Alexander Padre Sprowitz van het Max Planck Instituut voor Intelligente Systemen in Stuttgart onderzoeken deze vraag.

Effectief koppelen is de sleutel

Zoals ze uitleggen, heeft het concept van een vogelpoot een heel ander aspect dan ons mechanisme: wanneer mensen lopen, heffen ze hun benen en buigen hun knieën, maar hun voeten en tenen wijzen vrijwel ongewijzigd naar voren. Aan de andere kant vouwen vogels hun voeten naar achteren tijdens de zwaaifase. Onderzoek door Bedri Sprovitz en collega’s suggereerde dat deze beweging een negatief resultaat is van mechanische koppeling: het wordt niet veroorzaakt door het zenuwstelsel en spieractiviteit. “We zien dat het netwerk van spieren en pezen dat zich over meerdere gewrichten uitstrekt, deze koppeling mogelijk maakt. De kabels en spierpezen met meerdere gewrichten zorgen ervoor dat de voet buigt tijdens de zwaaifase.” Het vermoeden bestaat dat dit verband houdt met een gunstig onderliggend mechanisme.

Om hun hypothese te testen, bouwden de onderzoekers een robotbeen vergelijkbaar met dat van loopvogels. Met behulp van kabels en veren bouwden ze het zo dat de voet geen aparte motor nodig had, maar slechts één gewricht dat mechanisch verbonden was met de rest van de beengewrichten. De actuator in het heupgewricht zorgt ervoor dat het been naar voren en naar achteren beweegt. Een andere motor in het kniegewricht zorgt er ook voor dat de knie buigt om de prothese omhoog te trekken. Ten slotte bouwden de onderzoekers een tweebenig prototype om het systeem te testen.

Onderzoek naar de loopband toonde aan dat de robot zijn voeten tijdens het lopen daadwerkelijk in- en uitklapt, vergelijkbaar met natuurlijke modellen. De analyses toonden ook aan dat het dubbele been-en-voetmechanisme de BirdBot in staat stelt om op een zeer efficiënte en energiezuinige manier te werken, evenals letterlijk tijdens het staan. Omdat de enkel- en beengewrichten geen motoren nodig hebben in de staande fase. “De kracht komt van de veer en de coördinatie van het multi-link kabeltrekmechanisme. Als je je been in de zwaaifase omhoog trekt, stopt de voet vervolgens de beenspierveer.” werken tegen de veer in Of gemotoriseerd ofwel bij het staan ​​of bij het optillen van hun benen, zodat het been de grond niet raakt tijdens de zwaaifase. Deze krachtinbreng is bij de BirdBot niet meer nodig.” Dat heeft een positief effect, verzekert zijn collega Agamaliki Sarvestani: “Al met al kost het maar een kwart van de energie in vergelijking met voorheen lopende robots.”

Energiezuinig, stabiel en krachtig

Bovendien was voorheen een relatief complexe besturingstechniek nodig, die nu bespaard kan worden. Bij de meeste robots wordt de omschakeling tussen staan ​​en lopen tot nu toe verzorgd door een motor op het gewricht, die via een sensorsysteem aan en uit wordt gezet. “Met de BirdBot doet de voet het automatisch voor de lopende machine. We hebben alleen de motor bij het heupgewricht nodig en de andere om de knie te buigen in de zwaaifase – de rest doet het been zelf. We laten de beenveren ingeschakeld en uitgeschakeld voor de op vogels geïnspireerde mechanica.Het is krachtig, snel en energiebesparend, vat Bedri Sprovitz samen.

Zoals de onderzoekers benadrukten, werpt de replica nu retrospectief licht op de biologische betekenis van het concept. De koppeling van de poot- en enkelgewrichten en de daarbij optredende krachten verklaren waarom een ​​dier zo groot als een struisvogel niet alleen heel snel kan rennen, maar ook lang kan staan ​​zonder enige inspanning. Bovendien lijkt het systeem een ​​factor te zijn geweest in de verminderde gevoeligheid van ratten voor trippen, wat mede-auteur Monica Daly van de Universiteit van Californië, Irvine, heeft aangetoond door eerder onderzoek. Zoals het fysieke model van BirdBot nu aantoont, worden tijdrovende waarneming en overdracht van prikkels bij vogels vervangen door pure mechanica.

De focus van de wetenschappers lijkt echter te liggen op het potentieel van de technologie: “Het nu gepresenteerde ontwerp is schaalbaar en maakt de ontwikkeling van grootbenige robots mogelijk”, schrijven Badri-Spröwitz en collega’s. Concreet betekent dit volgens hen dat het in theorie mogelijk is om metershoge poten te bouwen op basis van salaris, aangezien tonnengewichten op een dag energiebesparend en stabiel kunnen zwerven.

Bron: Max Planck Institute for Intelligent Systems, gespecialiseerd artikel: Wetenschap Robotica, doi: 10.1126/scirobotics.abg4055

Video: © DLG MPl-lS en UC Irvine

© wissenschaft.de – Martin Vieweg