¡Ew, una cucaracha! Pero desaparece antes de que aparezca el matamoscas. Ahora, los investigadores han aprovechado las excelentes habilidades de escurrimiento del insecto para crear un método ingeniosamente simple para evaluar y mejorar la locomoción en los robots.
Normalmente, se requiere un tedioso modelado de mecánica, electrónica y ciencias de la información para comprender cómo las partes móviles de los insectos o los robots se coordinan suavemente para llevarlos a su lugar. Pero en un nuevo estudio, investigadores de biomecánica del Instituto de Tecnología de Georgia redujeronsprints de cucarachas a principios prácticos y ecuaciones que luego usaron para hacer que un robot de prueba deambule mejor.
El método contó a los investigadores sobre cómo funciona cada pierna por sí misma, cómo se unen en su conjunto y la armonía o falta de ella en cómo lo hacen. A pesar de la dinámica de movimiento completamente divergente de los insectos y bots, el nuevoEl método funcionó para ambos y también debería funcionar para otros robots y animales.
El robot biológico, la cucaracha, era el corredor muy superior con señales neurológicas que guiaban seis patas impecablemente evolucionadas. El robot mecánico, un modelo de consumo, tenía cuatro patas rechonchas y ningún sistema nervioso, sino que confiaba en el control de la locomoción en las fuerzas físicas gruesas que viajabana través de su chasis como señales crudas para coordinar aproximadamente su andar torpe.
"El robot era mucho más voluminoso y apenas podía sentir su entorno. La cucaracha tenía muchos sentidos y puede adaptarse mejor al terreno accidentado. Golpes tan altos como sus caderas no lo frenarían en absoluto", dijo Izaak Neveln, del estudioprimer autor, que fue investigador postdoctoral en el laboratorio de Simon Sponberg en Georgia Tech durante el estudio.
simplicidad avanzada
El método, o "medida", como lo llama el estudio, trascendió estas enormes diferencias, que impregnan la robótica inspirada en los animales.
"La medida es general universal en el sentido de que puede usarse independientemente de si las señales son patrones neuronales, cinemáticos, tensiones o fuerzas y no depende de la relación particular entre las señales", escribieron los autores del estudio.
No importa cómo funcione un error o un bot, las entradas y salidas matemáticas de la medida siempre están en las mismas unidades. La medida no siempre eliminará la necesidad de modelar, pero puede acortar y guiar el modelado y evitar pasos angustiosos.
Los autores publicaron el estudio en la revista Comunicaciones de la naturaleza en agosto de 2019. La investigación fue financiada por la National Science Foundation. Sponberg es profesor asistente en la Facultad de Física de Georgia Tech y en la Facultad de Ciencias Biológicas.
Centralización vs. descentralización
A menudo, un bot o un animal envía muchas señales para caminar a través de un sistema central para armonizar la locomoción, pero no todas las señales están centralizadas. Incluso en humanos, aunque la locomoción depende en gran medida de las señales del sistema nervioso central, algunas señales neuronales se limitan a las regionesdel cuerpo; son señales localizadas.
Algunos insectos parecen moverse con poca centralización, como los chinches, también conocidos como bastones, cuyas patas se mueven casi de forma independiente. Los chinches son corredores inestables.
"La idea ha sido que los insectos de palo tienen el control de movimiento más localizado, mientras que una cucaracha va muy rápido y necesita mantener la estabilidad, y su control de movimiento es probablemente más centralizado, más parecido a un reloj", dijo Neveln.
La fuerte centralización de las señales generalmente coordina mejor la locomoción. Podría ser un código que viaja a través del cableado de un robot elaborado, las neuronas centrales de una cucaracha que sincronizan sus patas, o el chasis del robot torpe que se inclina lejos de una pierna que golpea el suelo y pone peso sobre una pierna opuestaLos robots necesitan ver a través de las diferencias y descubrir la interacción de las señales locales y centrales de un locomotor.
física genial
La nueva "medida" hace esto al enfocarse en un fenómeno general en las piernas que caminan, que puede verse como una péndula que se mueve hacia adelante y hacia atrás. Para una gran locomoción, necesitan sincronizarse en lo que se llama oscilaciones de acoplamiento de fase.
Un experimento divertido y fácil ilustra este principio de física. Si unos pocos, digamos seis, los metrónomos péndulo de ritmo que usan los maestros de piano se balancean y los colocas en una plataforma que se balancea librementelos cambios de los metrónomos, los cambios se sincronizarán al unísono.
Las fases o direcciones de sus oscilaciones se acoplan entre sí al centralizar sus impulsos mecánicos compuestos a través de la plataforma. Este ejemplo particular de acoplamiento de fase es mecánico, pero también puede ser computacional o neurológico, como en la cucaracha.
Sus patas serían análogas a los metrónomos oscilantes, y la actividad neuromuscular central análoga a la plataforma de balanceo libre. En la cucaracha, no todas las seis patas se balancean en la misma dirección.
"Su sincronización no es uniforme. Tres patas están sincronizadas en fase entre sí - las patas delanteras y traseras de un lado con la pata central del otro lado - y esas tres están sincronizadas fuera de fase con las otras tres", Dijo Neveln." Es una marcha de trípode alterna. Un trípode de tres patas se alterna con el otro trípode de tres patas ".
Pogging inútil
Y al igual que la péndula, las oscilaciones de cada pierna se pueden representar como una onda. Todas las ondas de las piernas se pueden promediar en una onda general de cucarachas y luego se convierten en matemáticas más útiles que relacionan la centralización con la descentralización y factores como la entropía que pueden arrojarcontrol de locomoción desactivado
Los principios y las matemáticas resultantes beneficiaron al robot torpe, que tiene fuertes señales descentralizadas en sus motores de pierna que reaccionan al contacto de la pierna con el suelo, y un control centralizado más débil que el insecto del palo. Los investigadores también descifraron los movimientos del robot, perono dieron como resultado el grupo de ondas perfectamente sincronizadas que tenía la cucaracha.
Los investigadores recurrieron con los principios y las matemáticas al robot torpe, que inicialmente estaba fuera de lugar, sacudiéndose o saltando inútilmente como un palo de pogo. Luego, los científicos fortalecieron el control centralizado al volver a pesar su chasis para que se mueva de manera más coherente.
"Los metrónomos en la plataforma son acoplamiento mecánico, y nuestras coordenadas de robot controlan de esa manera", dijo Neveln. "Puede cambiar el acoplamiento mecánico del robot al reposicionar sus pesos. Pudimos predecir los cambios que esto haríausando la medida que desarrollamos de la cucaracha "
Sorpresas de cucarachas
Los investigadores también cablearon músculos y neuronas de cucarachas específicas para observar sus síncopas con las ondas de escurrimiento. Diecisiete cucarachas tomaron 2.982 pasos para informar los principios y las matemáticas, y los errores también causaron sorpresas a los investigadores.
Uno sobresalió: los científicos habían pensado que la señalización se centralizaba más cuando la cucaracha se aceleraba, pero en cambio, la señalización central y local se fortalecía, quizás duplicando el mensaje: ¡Corre!
Amoolya Tiramulai de Georgia Tech es coautora del artículo. La National Science Foundation financió la investigación subvención # NSF CAREER MPS / PoLS 1554790.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Georgia . Original escrito por Ben Brumfield. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cita esta página :