Um robô inspirado em esquilo que pode saltar de membro para o membro

Os engenheiros projetaram robôs que rastejam, nadam, voam e até deslizam como uma cobra, mas nenhum robô pode segurar uma vela em um esquilo, que pode parkour através de um bosque de galhos, saltar por lacunas perigosas e executar pousos de ponta nos galhos mais frágeis.

Universidade da Califórnia, Berkeley, biólogos e engenheiros estão tentando remediar essa situação. Com base nos estudos da biomecânica dos saltos e desembarques de esquilo, eles projetaram um robô de salto que pode enfiar um pouso em um poleiro estreito.

O feito, publicado em 19 de março na revista Robótica científicaé um grande passo no design de robôs mais ágeis, que podem pular entre as treliças e vigas de edifícios em construção ou robôs que podem monitorar o ambiente em florestas emaranhadas ou dosséis de árvores.

“Os robôs que temos agora estão bem, mas como você o leva para o próximo nível? Como você faz com que os robôs naveguem em um ambiente desafiador em um desastre em que você tem tubos, vigas e fios? Os esquilos poderiam fazer isso, sem problemas. Os robôs não podem fazer isso”, disse Robert Full, um dos autores seniores do artigo e um professor de biologia integrativa na UC Berkely.

“Os esquilos são os melhores atletas da natureza”, acrescentou completo. “A maneira como eles podem manobrar e escapar é inacreditável. A idéia é tentar definir as estratégias de controle que dão aos animais uma ampla gama de opções comportamentais para executar feitos extraordinários e usar essas informações para construir robôs mais ágeis”.

Justin Yim, um ex-aluno da UC Berkeley e co-primeiro autor de The Paper, traduziu o que os estudantes de biologia e seus estudantes de biologia descobriram em esquilos para Salto, um robô de uma perna desenvolvido na UC Berkeley em 2016 que já poderia pular e parar e prender um pouso, mas apenas em terreno plano. O desafio era enfiar o pouso enquanto atingia um ponto específico – uma haste estreita.

“Se você pensa em tentar pular até certo ponto – talvez você esteja fazendo algo como tocar gosma do lúpulo e deseja pousar em um determinado local – você quer enfiar esse pouso e não dar um passo”, explicou Yim, agora um professor assistente de ciência mecânica e engenharia da Universidade de Illinois, Urbana Champaign (UIUC).

“Se você sentir que vai cair em frente, poderá fixar seus braços, mas provavelmente também se levanta para evitar cair. Se parece que você está caindo para trás e pode precisar sentar, porque não será capaz de fazê -lo, poderá prender seus braços para trás, mas provavelmente também se agarrará.

“Esse é o mesmo comportamento que programamos no robô. Se ele estiver balançando, deve se agachar. Se for balançar, deve se estender e ficar de pé”.

Usando essas estratégias, Yim está embarcando em um projeto para projetar um robô pequeno e de uma perna que poderia explorar Encélado, uma lua de Saturno, onde a gravidade é um oito.

O novo design do robô é baseado em uma análise biomecânica de pousos de esquilo detalhados em um artigo aceito para publicação no Jornal de Biologia Experimental e publicado on -line em 27 de fevereiro. Full é o autor sênior e ex -pós -graduado Sebastian Lee é o primeiro autor desse artigo.

Mistura de biologia e robótica

Salto, abreviado para locomoção ágil salatatorial em obstáculos ao terreno, originou -se há uma década no laboratório de Ronald Fearing, agora professor na escola de pós -graduação no Departamento de Engenharia Elétrica e Ciências da Computador da UC Berkeley (EECs). Grande parte de sua capacidade de saltar, parkouring e pouso é resultado de uma colaboração interdisciplinar de longa data entre estudantes de biologia no laboratório polipedal e estudantes de engenharia da Full em Fearing Biomimetic Millisystems Lab.

Durante os cinco anos, Yim foi um estudante de pós -graduação da UC Berkeley – ele recebeu seu Ph.D. Em EECs, em 2020, com medo de seu consultor – ele se encontrou com o grupo de Full a cada duas semanas para aprender com seus experimentos de biologia. Yim estava tentando aproveitar a capacidade de Salto de pousar em vertical em um ponto plano, até ao ar livre, para que ele atinja um alvo específico, como um galho.

Salto já tinha um volante motorizado ou roda de reação, para ajudá -lo a equilibrar, da mesma maneira que os humanos rodam os braços para restaurar o equilíbrio. Mas isso não era suficiente para que ele coloque um pouso direto em um poleiro precário. Ele decidiu tentar reverter os motores que lançam Salto e os usam para frear ao pousar.

Suspeitando que os esquilos fizessem o mesmo com as pernas ao pousar, as equipes de biologia e robótica trabalharam em paralelo para confirmar isso e mostrar que isso ajudaria a Salto a colocar um pouso. A equipe de Full instrumentou um ramo com sensores que mediam a força perpendicular ao galho quando um esquilo pousou e o torque ou a força de giro em relação ao ramo que o esquilo aplicou com os pés.

A equipe de pesquisa descobriu, com base em medições de vídeo e sensores de alta velocidade, que quando os esquilos pousam após um salto heróico, eles basicamente fazem um giro no ramo, direcionando a força de aterrissar pela articulação do ombro para enfatizar a articulação o mínimo possível. Usando almofadas de pé, eles seguram o galho e torcem para superar qualquer torque em excesso ameaça enviá -los sobre ou embaixo do ramo.

“Quase toda a energia – 86% da energia cinética – foi absorvida pelas pernas da frente”, disse ele. “Eles estão realmente fazendo pinos na frente no galho e, em seguida, o restante segue. Então seus pés geram um torque de pull-up, se eles estão diminuindo; se eles vão passar por cima-estão superando, potencialmente-geram um torque de frenagem”.

Talvez mais importante para o equilíbrio, no entanto, eles descobriram que os esquilos também ajustam a força de frenagem aplicada ao ramo ao pousar para compensar a excesso ou a subida.

“Se você estiver indo para o Undershoot, o que você pode fazer é gerar menos força que quebra as pernas; sua perna entrará em colapso, e então sua inércia será menor, e isso o levará a corrigir”, disse Full. “Considerando que, se você estiver ultrapassando, você quer fazer o contrário – você quer que suas pernas gerem mais força de quebra, para que você tenha uma inércia maior e isso o diminua para que você possa ter um pouso equilibrado”.

A graduação de Yim e UC Berkeley, Eric Wang, redesenhou Salto para incorporar forças de pernas ajustáveis, complementando o torque da roda de reação. Com essas modificações, Salto foi capaz de pular em um ramo e equilibrar algumas vezes, apesar do fato de não ter capacidade de agarrar os pés, disse Yim.

“Decidimos seguir o caminho mais difícil e não dar ao robô que não aplicará torque no ramo com os pés. Projetamos especificamente uma garra passiva que até tinha atrito muito baixo para minimizar esse torque”, disse Yim.

“Em trabalhos futuros, acho que seria interessante explorar outras garras mais capazes que poderiam expandir drasticamente a capacidade do robô de controlar o torque que ele se aplica ao ramo e expandir sua capacidade de pousar. Talvez não apenas em galhos, mas também em solo plano complexo”.

Paralelamente, Full agora está investigando a importância do torque aplicado pelo pé do esquilo após o pouso. Ao contrário dos macacos, os esquilos não têm um polegar utilizável que permite uma compreensão de pré -nsil, para que eles precise de um galho, disse ele. Mas isso pode ser uma vantagem.

“Se você é um esquilo sendo perseguido por um predador, como um falcão ou outro esquilo, você quer ter uma compreensão suficientemente estável, onde pode parkour a partir de um galho rapidamente, mas não muito firme”, disse ele. “Eles não precisam se preocupar em deixar ir, eles apenas se afastam”.

Os robôs de uma perna podem parecer impraticáveis, dado o potencial de cair quando ficar parado. Mas Yim diz que, para pular muito alto, uma perna é o caminho a percorrer.

“Uma perna é o melhor número para pular; você pode colocar o máximo de energia nessa perna se não distribuir esse poder entre vários dispositivos diferentes. E as desvantagens que você recebe por ter apenas uma perna diminuindo à medida que você pula mais alto”, disse Yim.

“Quando você pula muitas, muitas vezes a altura das pernas, há apenas uma marcha, e essa é a marcha na qual toda perna toca o chão ao mesmo tempo e todas as pernas deixam o chão aproximadamente ao mesmo tempo. Então, nesse ponto, ter várias pernas é como ter uma perna. Você pode usar uma.”

Outros co-autores do Robótica científica O artigo está temendo e o ex -estudante da UC Berkeley, Eric Wang, agora estudante de graduação do MIT, e ex -estudante de pós -graduação Nathaniel Hunt, agora professor associado da Universidade de Nebraska em Omaha.

Co-autores do Jornal de Biologia Experimental O artigo é Wang, Hunt, temendo, UC Berkeley Professor Associado de Engenharia Mecânica Hannah Stuart e ex -graduação da UC Berkeley Stanley Wang e Duyi Kuang.