Il robot che salta ispirato allo scoiattolo può attaccare un atterraggio su un ramo

Università della California, Berkeley, biologi e ingegneri stanno cercando di rimediare a quella situazione. Sulla base degli studi sulla biomeccanica di salti e atterraggi scoiattoli, hanno progettato un robot saltante che può attaccare un atterraggio su un pesce persico stretto.

L’impresa, da segnalare nel numero del 19 marzo del diario Robotica scientificaè un grande passo nella progettazione di robot più agili, quelli che possono saltare tra le capriate e le travi di edifici in costruzione o robot in grado di monitorare l’ambiente in foreste aggrovigliate o baldacchini.

“I robot che abbiamo ora sono OK, ma come si portano al livello successivo? Come si fa a far navigare in un ambiente impegnativo in un disastro in cui hai tubi, travi e fili? Gli scoiattoli potrebbero farlo, nessun problema. I robot non possono farlo”, ha detto Robert Full, uno degli autori senior di carta e un professore di biologia integrativa all’UC Berkeey.

“Gli scoiattoli sono i migliori atleti della natura”, ha aggiunto Full. “Il modo in cui possono manovrare e fuggire è incredibile. L’idea è quella di cercare di definire le strategie di controllo che offrono agli animali una vasta gamma di opzioni comportamentali per eseguire imprese straordinarie e utilizzare tali informazioni per costruire robot più agili.”

Justin Yim, ex studente laureato della UC Berkeley e co-primo autore di The Paper, ha tradotto ciò che Full e i suoi studenti di biologia hanno scoperto negli scoiattoli a Salto, un robot a gambe con una gamba sviluppata all’UC Berkeley nel 2016 che potrebbe già sperare e parcheggiare e attaccare un atterraggio, ma solo su un terreno piatto. La sfida era quella di attaccare l’atterraggio mentre colpiva un punto specifico: una canna stretta.

“Se pensi di provare a saltare a un punto – forse stai facendo qualcosa come giocare a hopscotch e vuoi atterrare i piedi in un certo punto – vuoi attaccare quell’atterraggio e non fare un passo”, ha spiegato Yim, ora un assistente professore di scienze meccaniche e ingegneria presso l’Università dell’Illinois, Urbana Champaign (UIUC). “Se ti senti come se stessi per cadere in avanti, allora potresti tirarrine le braccia, ma probabilmente ti alzerai dritto per impedirti di cadere. Se ti senti come se stessi cadendo all’indietro e potresti dover sederti perché non si può fare il robot. Sta per oscillare, dovrebbe estendersi e alzarsi in alto. “

Usando queste strategie, Yim sta intraprendendo un progetto finanziato dalla NASA per progettare un piccolo robot a una gamba che potrebbe esplorare Enceladus, una luna di Saturno, dove la gravità è di un ettesimo a quella della Terra e un singolo luppolo potrebbe portare il robot la lunghezza di un campo di calcio.

Il nuovo design robot si basa su un’analisi biomeccanica degli sbarchi scoiattoli dettagliati in un documento accettato per la pubblicazione nel Journal of Experimental Biology e pubblicato online il 27 febbraio. Full è l’autore senior ed ex studente laureato Sebastian Lee è il primo autore di quel documento.

Miscelazione di biologia e robotica

Salto, abbreviazione di locomozione agile salatoriale su ostacoli del terreno, ha avuto origine un decennio fa nel laboratorio di Ronald Fearing, ora professore presso la scuola di specializzazione nel Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Scienze informatiche (CEE) della UC Berkeley. Gran parte della sua capacità di salto, parkouring e atterraggio è il risultato di una collaborazione interdisciplinare di lunga data tra studenti di biologia nel laboratorio polipedalico di Full e ingegneria nel laboratorio biomimetico di Biomimetic Milisystems.

Durante i cinque anni Yim era uno studente laureato in UC Berkeley – ottenne il suo dottorato di ricerca. In EECS nel 2020, con paura come suo consigliere, ha incontrato il gruppo Full ogni due settimane per imparare dai loro esperimenti di biologia. Yim stava cercando di sfruttare la capacità di Salto di atterrare in piedi su un punto piatto, anche all’aperto, per farlo colpire un bersaglio specifico, come un ramo. Salto aveva già un volano motorizzato o una ruota di reazione, per aiutarlo a bilanciare, per quanto gli umani spingono le braccia per ripristinare l’equilibrio. Ma non era sufficiente per attaccare un atterraggio diretto su un trespolo precario. Decise di provare a invertire i motori che lanciano Salto e usarli per frenare durante l’atterraggio.

Sospettando che gli scoiattoli abbiano fatto lo stesso con le gambe durante l’atterraggio, i team di biologia e robotica hanno lavorato in parallelo per confermarlo e dimostrare che avrebbe aiutato Salto ad attaccare un atterraggio. La squadra di Full ha strumentato un ramo con sensori che misuravano la forza perpendicolare al ramo quando uno scoiattolo atterrò e la coppia o la forza di svolta rispetto al ramo che lo scoiattolo applicò con i suoi piedi.

Il team di ricerca ha scoperto, basato su misurazioni di video e sensori ad alta velocità, che quando gli scoiattoli atterrano dopo un salto eroico, fondamentalmente fanno una verticale sul ramo, dirigendo la forza di atterrare attraverso la spalla in modo da sottolineare l’articolazione il meno possibile. Usando i cuscinetti in piedi, quindi afferrano il ramo e si svolgono per superare qualsiasi coppia in eccesso minaccia di inviarli o sotto il ramo.

“Quasi tutta l’energia – l’86% dell’energia cinetica – è stata assorbita dalle gambe anteriori”, ha detto. “Stanno davvero facendo i vani anteriori sul ramo, e poi il resto segue. Quindi i loro piedi generano una coppia di pull-up, se stanno andando sotto; se stanno per andare sopra la cima-sono superato, potenzialmente-generano una coppia di frenata.”

Forse più importante per l’equilibrio, tuttavia, hanno scoperto che gli scoiattoli regolano anche la forza di frenata applicata al ramo quando si atterrano per compensare il sopravvento o la metropolitana.

“Se vai alla sottolineatura, quello che puoi fare è generare meno forza di rottura; “Mentre se stai superando, vuoi fare il contrario – vuoi che le gambe generino più forza di rottura in modo da avere un’inerzia più grande e ti rallenta in modo da poter avere un atterraggio equilibrato.”

Eric Wang di Yim e UC Berkeley ha riprogettato il salto per incorporare forze di gamba regolabili, integrando la coppia della ruota di reazione. Con queste modifiche, Salto è stato in grado di saltare su un ramo e bilanciare una manciata di volte, nonostante il fatto che non avesse la capacità di afferrare i piedi, ha detto Yim.

“Abbiamo deciso di prendere il percorso più difficile e non dare al robot nessuna capacità di applicare qualsiasi coppia sul ramo con i suoi piedi. Abbiamo progettato specificamente una pinza passiva che aveva persino un attrito molto basso per ridurre al minimo quella coppia”, ha detto Yim. “Nel lavoro futuro, penso che sarebbe interessante esplorare altri pinze più capaci che potrebbero espandere drasticamente la capacità del robot di controllare la coppia che si applica al ramo ed espandere la sua capacità di atterrare. Forse non solo sui rami, ma anche su un terreno piatto complesso.”

In parallelo, Full sta ora studiando l’importanza della coppia applicata dal piede dello scoiattolo all’atterraggio. A differenza delle scimmie, gli scoiattoli non hanno un pollice utilizzabile che consenta una presa prensile, quindi devono palmare un ramo, ha detto. Ma questo potrebbe essere un vantaggio.

“Se sei uno scoiattolo inseguito da un predatore, come un falco o un altro scoiattolo, vuoi avere una presa sufficientemente stabile, dove puoi parcheggiare rapidamente da una filiale, ma non troppo salda”, ha detto. “Non devono preoccuparsi di lasciarsi andare, rimbalzano.”

I robot a gambe con una gamba possono sembrare impraticabili, dato il potenziale per cadere quando è fermo. Ma Yim dice che per saltare molto in alto, una gamba è la strada da percorrere.

“Una gamba è il numero migliore per saltare; puoi mettere il maggior potere in quella gamba se non distribuisci quel potere tra più dispositivi diversi. E gli svantaggi che ottieni dall’avere una sola riduzione della gamba mentre salti più in alto”, ha detto Yim. “Quando salti molte, molte volte l’altezza delle gambe, c’è solo un’andatura, e questa è l’andatura in cui ogni gamba tocca il terreno allo stesso tempo e ogni gamba lascia il terreno all’incirca nello stesso momento. Quindi a quel punto, avere più gambe è un po ‘come avere una gamba. Potresti anche usare solo quello.”

Altri coautori del Robotica scientifica Il documento temono e l’ex studente universitario UC Berkeley Eric Wang, ora studente laureato presso il MIT, e l’ex studente laureato Nathaniel Hunt, ora professore associato all’Università del Nebraska a Omaha. Coautori del J. Exp. Bio. La carta è Wang, Hunt, Fearing, professore associato di ingegneria meccanica della UC Berkeley Hannah Stuart e ex studenti della UC Berkeley Stanley Wang e Duyi Kuang. La ricerca è stata finanziata dall’Ufficio di ricerca dell’esercito americano (W911NF-18-1-0038, W911NF-1810327) e dal National Institutes of Health (P20GM109090).