Если у Тираннозавра Рекса, жившего 66 миллионов лет назад, были такие же ноги, как у современного страуса, бегущего по саванне, то мы можем предположить, что птичьи ноги выдержали испытание временем - хороший пример эволюционного отбора.
Изящные, элегантные, мощные - нелетающие птицы, такие как страусы, представляют собой механическое чудо. Страусы, некоторые из которых весят более 100 кг, бегают по саванне со скоростью до 55 км/ч. Считается, что выдающиеся двигательные способности страусов обусловлены строением ног животного. В отличие от людей, птицы сгибают ноги назад, когда подтягивают их к телу. Почему животные это делают? Почему эта модель движения стопы является энергоэффективной при ходьбе и беге? И можно ли структуру ноги птицы со всеми ее костями, мышцами и сухожилиями перенести на шагающих роботов?
Александр Бадри-Шпровиц посвятил этим вопросам более пяти лет. В Институте интеллектуальных систем им. Макса Планка (MPI-IS) он возглавляет Группу динамического передвижения. Его команда работает на стыке биологии и робототехники в области биомеханики и нейроуправления. Динамичное передвижение животных и роботов является основным направлением деятельности группы.
Вместе со своим докторантом Альборзом Агамалеки Сарвестани Бадри-Спровиц сконструировал ногу робота, которая, как и ее естественная модель, является энергоэффективной: BirdBot требует меньше двигателей, чем другие машины, и теоретически может масштабироваться до больших размеров.. 16 марта Бадри-Спровиц, Агамалеки Сарвестани, робототехник Метин Ситти, директор MPI-IS, и профессор биологии Моника А. Дейли из Калифорнийского университета в Ирвине опубликовали свое исследование в журнале Science Robotics.
Податливая пружинно-сухожильная сеть из мышц и сухожилий
При ходьбе люди подтягивают ступни и сгибают колени, но ступни и пальцы ног практически не меняются. Известно, что Птицы бывают разные - в фазе маха они сгибают лапы назад. Но какова функция этого движения? Бадри-Шпровиц и его команда приписывают это движение механической муфте. «Это не нервная система, не электрические импульсы и не мышечная активность», - объясняет Бадри-Спровиц. «Мы выдвинули гипотезу о новой функции соединения ступни с ногой через сеть мышц и сухожилий, которая проходит через несколько суставов». Эти многосуставные мышцы и сухожилия координируют сгибание стопы в фазе переноса. В нашем роботе мы внедрили комбинированную механику в ногу и ступню, что обеспечивает энергоэффективную и надежную ходьбу робота. Наши результаты, демонстрирующие этот механизм на роботе, позволяют нам полагать, что аналогичные преимущества эффективности также справедливы и для птиц», - объясняет он.
Соединение суставов ноги и стопы, 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, предполагают исследователи. Человек весом более 100 кг тоже может стоять хорошо и долго, но только с «запертыми» коленями в вытянутом положении. Если человек немного присядет на корточки, через несколько минут он станет напряженным. Птица, однако, кажется, не возражает против своей согнутой конструкции ноги; многие птицы даже стоят прямо во время сна. Нога робота-птицы должна уметь делать то же самое: для удержания конструкции в вертикальном положении не требуется никакой мощности двигателя.
Робот ходит по беговой дорожке
Чтобы проверить свою гипотезу, исследователи построили роботизированную ногу по образцу ноги нелетающей птицы. Они сконструировали искусственную птичью ногу так, что в ее ноге нет мотора, а вместо этого есть сустав, оснащенный 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 ногу вперед и назад, и небольшой двигатель, который сгибает коленный сустав, чтобы поднять ногу. После сборки исследователи вели BirdBot на беговой дорожке, чтобы наблюдать, как ноги робота складываются и раскладываются. «Стопы и суставы ног не нуждаются в активации в фазе опоры», - говорит Агамалеки Сарвестани. «Пружины приводят в действие эти суставы, а многосуставной пружинно-сухожильный механизм координирует движения суставов. Когда ногу подтягивают в фазе маха, ступня расцепляется с пружиной ноги - или с мышечно-сухожильной пружиной, как мы полагаем, это происходит у животных. Бадри-Шпровиц добавляет.
Ноль усилий в положении стоя, а также при сгибании ноги и колена
В положении стоя нога не тратит энергию.«Ранее нашим роботам приходилось работать против пружины или с двигателем либо в положении стоя, либо при подтягивании ноги, чтобы предотвратить столкновение ноги с землей во время маха ногой. В этом подводе энергии для ног BirdBot нет необходимости», - говорит Бадри-Спровиц и Агамалеки Сарвестани добавляют: «В целом новому роботу требуется лишь четверть энергии, по сравнению с его предшественником».
Беговая дорожка теперь снова включена, робот начинает работать, и с каждым движением ноги нога расцепляется с пружиной ноги. Чтобы выйти из зацепления, сильное движение стопы ослабляет трос, а оставшиеся суставы ног свободно раскачиваются. Этот переход состояний между стоянием и махом ногой обеспечивается в большинстве роботов мотором в суставе. Датчик посылает сигнал контроллеру, который включает и выключает двигатели робота. «Раньше моторы переключались в зависимости от того, была ли нога в фазе маха или опоры. Теперь в ходунках эту функцию берет на себя стопа, механически переключаясь между опорой 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», - говорит Бадри-Спровиц.
Моника Дейли заметила в нескольких своих ранних исследованиях по биологии, что строение птичьих ног не только экономит энергию при ходьбе и стоянии, но и приспособлено природой так, что животное практически не спотыкается и не травмируется. В экспериментах с цесарками, бегущими по скрытым выбоинам, она количественно оценила поразительную устойчивость птиц к передвижению. В систему встроен морфологический интеллект, который позволяет животному действовать быстро, не задумываясь. Дейли показал, что животные контролируют свои ноги при передвижении не только с помощью нервной системы. Если на пути неожиданно оказывается препятствие, не всегда в игру вступает осязание или зрение животного.
Структура с многосуставными мышцами-сухожилиями и уникальным движением ног 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, животное может быть не в состоянии среагировать достаточно быстро. Восприятие и осязание, даже передача стимулов и реакция требуют времени», - говорит Дейли.
Тем не менее работа Дейли по бегущим птицам в течение 20 лет показывает, что птицы реагируют быстрее, чем позволяет нервная система, что указывает на механический вклад в контроль. 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. Подобно птицам, робот отличается высокой устойчивостью к передвижению.
Будь то в масштабе тираннозавра Рекса или маленького перепела, или маленькой или большой роботизированной ноги. Теоретически ноги метровой высоты теперь можно использовать для перевозки роботов весом в несколько тонн, которые передвигаются с небольшими затратами энергии.
Знания, полученные с помощью робота BirdBot, разработанного в Dynamic Locomotion Group и Калифорнийском университете в Ирвине, приводят к новому пониманию животных, которые адаптировались в ходе эволюции. Роботы позволяют тестировать, а иногда и подтверждать гипотезы биологии, а также продвигать обе области.
видео BirdBot: