Инженеры разработали роботов, которые ползают, плавают, летают и даже скользят, как змея, но ни один робот не сравнится с белкой, которая может пробираться сквозь заросли ветвей, перепрыгивать через опасные пропасти и выполнять точные приземления на самые тонкие ветки.
Биологи и инженеры Калифорнийского университета в Беркли пытаются исправить эту ситуацию. Основываясь на исследованиях биомеханики прыжков и приземлений белки, они спроектировали прыгающего робота, который может приземляться на узкую жердочку.
Это достижение, опубликованное 19 марта в журнале Science Robotics, является большим шагом в разработке более гибких роботов, которые могут прыгать между фермами и балками строящихся зданий, или роботов, которые могут следить за окружающей средой в густых лесах или кронах деревьев.
«Сейчас у нас есть хорошие роботы, но как вывести их на новый уровень? Как заставить роботов ориентироваться в сложной среде в условиях катастрофы, где есть трубы, балки и провода? Белки могли бы это сделать, без проблем.
Роботы на это не способны», — сказал Роберт Фулл, один из старших авторов статьи и профессор интегративной биологии в Калифорнийском университете в Беркли.
«Белки — лучшие спортсмены в природе», — добавил Фулл. «То, как они могут маневрировать и убегать, невероятно. Идея состоит в том, чтобы попытаться определить стратегии управления, которые дадут животным широкий спектр поведенческих возможностей для выполнения необычайных подвигов, и использовать эту информацию для создания более гибких роботов».
Джастин Йим, бывший аспирант Калифорнийского университета в Беркли и соавтор статьи, перенес то, что Фулл и его студенты-биологи обнаружили у белок, в Salto, одноногого робота, разработанного в Калифорнийском университете в Беркли в 2016 году, который уже мог прыгать, паркурить и приземляться, но только на ровную поверхность.
Задача состояла в том, чтобы приземлиться, ударившись о конкретную точку — узкий стержень.
«Если вы пытаетесь подпрыгнуть до определенной точки (например, играете в классики и хотите приземлиться в определенном месте), вам нужно закрепиться на месте приземления и не делать ни шага», — объяснил Йим, ныне доцент кафедры механики и инжиниринга в Иллинойсском университете в Урбане-Шампейне (UIUC).
«Если вы чувствуете, что падаете вперед, то вы можете вращать руками, но вы также, вероятно, будете стоять прямо, чтобы не упасть.
Если вы чувствуете, что падаете назад и вам, возможно, придется сесть, потому что вы не сможете этого сделать, вы можете вращать руками назад, но вы также, вероятно, будете приседать, делая это.
«Это то же самое поведение, которое мы запрограммировали в роботе. Если он собирается качаться снизу, он должен присесть. Если он собирается качаться сверху, он должен вытянуться и встать прямо». Используя эти стратегии, Йим приступает к проекту по созданию небольшого одноногого робота, который мог бы исследовать Энцелад, спутник Сатурна, где гравитация составляет одну восьмидесятую от земной, а один прыжок мог бы перенести робота на расстояние футбольного поля.
Новая конструкция робота основана на биомеханическом анализе приземлений белок, подробно описанном в статье , принятой к публикации в журнале Journal of Experimental Biology и размещенной в сети 27 февраля.
Фулл является старшим автором, а бывший аспирант Себастьян Ли — первым автором этой статьи.
Смешение биологии и робототехники Salto, сокращение от Saltatorial Agile Locomotion on Terrain Obstacles, возникло десять лет назад в лаборатории Рональда Фиринга, ныне профессора аспирантуры кафедры электротехники и компьютерных наук Калифорнийского университета в Беркли.
Большая часть его способности к прыжкам, паркуру и приземлению является результатом многолетнего междисциплинарного сотрудничества студентов-биологов из лаборатории полипедов Фулла и студентов-инженеров из лаборатории биомиметических миллисистем Фиринга.
В течение пяти лет, пока Йим был аспирантом Калифорнийского университета в Беркли (он получил докторскую степень по EECS в 2020 году, а Фиринг был его руководителем), он встречался с группой Фулла каждые две недели, чтобы учиться на их биологических экспериментах.
Йим пытался использовать способность Сальто приземляться вертикально на ровное место, даже на открытом воздухе, чтобы заставить его поразить определенную цель, например ветку.
У Salto уже был моторизованный маховик, или реактивное колесо, помогающее ему сохранять равновесие, примерно так же, как люди вращают руками, чтобы восстановить равновесие.
Но этого было недостаточно, чтобы он смог приземлиться прямо на ненадежную опору. Он решил попробовать реверсировать двигатели, которые запускают Salto, и использовать их для торможения при приземлении.
Подозревая, что белки делают то же самое со своими ногами при приземлении, команды биологов и робототехников работали параллельно, чтобы подтвердить это и показать, что это поможет Сальто выдержать приземление.
Команда Фулла оснастила ветку датчиками, которые измеряли силу, перпендикулярную ветке, когда белка приземлялась, и крутящий момент или силу поворота относительно ветки, которую белка прикладывала своими ногами.
Исследовательская группа обнаружила, основываясь на высокоскоростном видео и измерениях датчиков, что когда белки приземляются после героического прыжка, они по сути делают стойку на руках на ветке, направляя силу приземления через плечевой сустав, чтобы как можно меньше нагружать сустав.
Используя подушечки на лапах, они затем хватаются за ветку и поворачиваются, чтобы преодолеть любой избыточный крутящий момент, который грозит отправить их над или под ветку.
«Почти вся энергия — 86% кинетической энергии — поглощается передними ногами», — сказал он. «Они на самом деле делают стойки на руках на ветке, а затем следует все остальное. Затем их ноги генерируют тяговый момент, если они идут вниз; если они собираются перепрыгнуть через верх — они потенциально перелетают — они генерируют тормозной момент».
Однако, возможно, что еще более важно для балансировки, они обнаружили, что белки также регулируют тормозное усилие, прилагаемое к ветке при приземлении, чтобы компенсировать перелет или недолет.
«Если вы собираетесь недолететь, то вы можете создать меньше силы, ломающей ногу; ваша нога немного сомнется, и тогда ваша инерция будет меньше, и это вернет вас обратно в исходное положение», — сказал Фулл.
«А если вы перелетаете, вы хотите сделать наоборот — вы хотите, чтобы ваши ноги создали больше силы, ломающей ногу, чтобы у вас была большая инерция, и это замедлит вас, чтобы вы могли совершить сбалансированное приземление».
Йим и студент Калифорнийского университета в Беркли Эрик Ванг переделали Salto, включив регулируемые силы ног, дополняющие крутящий момент колеса реакции.
Благодаря этим модификациям Salto смог запрыгнуть на ветку и несколько раз удержать равновесие, несмотря на то, что у него не было возможности цепляться ногами, сказал Йим. «Мы решили пойти по самому сложному пути и не дали роботу возможности прилагать какой-либо крутящий момент к ветке с помощью своих ног.
Мы специально разработали пассивный захват, который даже имел очень низкое трение, чтобы минимизировать этот крутящий момент», — сказал Йим. «В будущей работе, я думаю, было бы интересно изучить другие, более эффективные захваты, которые могли бы радикально расширить возможности робота по контролю крутящего момента, который он прикладывает к ветке, и расширить его возможности по приземлению.
Возможно, не только на ветки, но и на сложную ровную поверхность».
Параллельно Фулл сейчас изучает важность крутящего момента, который прикладывает нога белки при приземлении. В отличие от обезьян, у белок нет большого пальца, который позволяет осуществлять хватательный захват, поэтому им приходится обхватывать ветку ладонью, сказал он.
Но это может быть преимуществом. «Если вы белка, за которой гонится хищник, вроде ястреба или другой белки , вам нужна достаточно стабильная хватка, чтобы вы могли быстро отцепиться от ветки, но не слишком сильная хватка», — сказал он.
«Им не нужно беспокоиться о том, чтобы отпустить, они просто отскакивают». Одноногие роботы могут показаться непрактичными, учитывая вероятность падения при стоянке.
Но Йим говорит, что для прыжков действительно высоко одна нога — это выход. «Одна нога — лучшее число для прыжка; вы можете вложить больше всего силы в эту одну ногу, если не распределяете ее между несколькими различными устройствами.
И недостатки, которые вы получаете от наличия только одной ноги, уменьшаются по мере того, как вы прыгаете выше», — сказал Йим. «Когда вы прыгаете на высоту, во много-много раз превышающую высоту ваших ног, есть только один тип походки, и это тот тип походки, при котором каждая нога касается земли одновременно и каждая нога отрывается от земли примерно в одно и то же время.
Так что в этом случае иметь несколько ног — это как иметь одну ногу.
Вы можете просто использовать одну». Другими соавторами статьи в журнале Science Robotics являются Фиринг и бывший студент Калифорнийского университета в Беркли Эрик Ван, ныне аспирант Массачусетского технологического института, а также бывший аспирант Натаниэль Хант, ныне доцент Университета Небраски в Омахе.
Рубрика: Наука. Читать весь текст на android-robot.com.