Si un Tyrannosaurus Rex que vivió hace 66 millones de años presentaba una estructura de patas similar a la de un avestruz que corre en la sabana hoy, entonces podemos suponer que las patas de las aves resistieron la prueba del tiempo, un buen ejemplo de selección evolutiva.
Gráciles, elegantes, poderosas: las aves no voladoras como el avestruz son una maravilla mecánica. Los avestruces, algunos de los cuales pesan más de 100 kg, corren por la sabana a una velocidad de hasta 55 km/h. Se cree que el excelente rendimiento locomotor de los avestruces se debe ala estructura de las patas del animal. A diferencia de los humanos, las aves doblan las patas hacia atrás cuando tiran de las patas hacia el cuerpo. ¿Por qué hacen esto los animales? ¿Por qué este patrón de movimiento de las patas es energéticamente eficiente para caminar y correr? ¿Y puede la estructura de las patas del pájaro contodos sus huesos, músculos y tendones se transfieran a robots andantes?
Alexander Badri-Spröwitz ha dedicado más de cinco años a estas preguntas. En el Instituto Max Planck para Sistemas Inteligentes MPI-IS, dirige el Grupo de Locomoción Dinámica. Su equipo trabaja en la interfaz entre la biología y la robótica en el campo.de biomecánica y neurocontrol. La locomoción dinámica de animales y robots es el foco principal del grupo.
Junto con su estudiante de doctorado Alborz Aghamaleki Sarvestani, Badri-Spröwitz ha construido una pata de robot que, al igual que su modelo natural, es energéticamente eficiente: BirdBot necesita menos motores que otras máquinas y, en teoría, podría escalar a un tamaño grande. En marzoEl 16 de enero, Badri-Spröwitz, Aghamaleki Sarvestani, el especialista en robótica Metin Sitti, director de MPI-IS, y la profesora de biología Monica A. Daley de la Universidad de California, Irvine, publicaron su investigación en la revista Ciencia Robótica.
Red de resorte-tendón compatible hecha de músculos y tendones
Al caminar, los humanos levantan los pies y doblan las rodillas, pero los pies y los dedos de los pies apuntan hacia adelante casi sin cambios. Se sabe que las aves son diferentes: en la fase de balanceo, doblan los pies hacia atrás. Pero, ¿cuál es la función deeste movimiento? Badri-Spröwitz y su equipo atribuyen este movimiento a un acoplamiento mecánico. "No es el sistema nervioso, no son los impulsos eléctricos, no es la actividad muscular", explica Badri-Spröwitz. "Hicimos la hipótesis de una nueva función del pie-acoplamiento de la pierna a través de una red de músculos y tendones que se extiende a través de múltiples articulaciones". Estos músculo-tendón de múltiples articulaciones coordinan el plegado del pie en la fase de balanceo. En nuestro robot, hemos implementado la mecánica acoplada en la pierna y el pie, lo que permite que la energía-caminar robótico robusto y eficiente. Nuestros resultados que demuestran este mecanismo en un robot nos llevan a creer que beneficios de eficiencia similares también son válidos para las aves", explica.
El acoplamiento de las articulaciones de las piernas y los pies y las fuerzas y movimientos involucrados podrían ser la razón por la cual un animal grande como un avestruz no solo puede correr rápido sino también estar de pie sin cansarse, especulan los investigadores. Una persona que pesa más de 100 kg también puede estar de piebien y durante mucho tiempo, pero solo con las rodillas 'trabadas' en una posición extendida. Si la persona se agacha un poco, se vuelve extenuante después de unos minutos. Sin embargo, al pájaro no parece importarle su estructura de patas dobladas.; muchas aves incluso se paran erguidas mientras duermen. La pata de un pájaro robótico debería poder hacer lo mismo: no se necesita energía del motor para mantener la estructura erguida.
Robot camina en la caminadora
Para probar su hipótesis, los investigadores construyeron una pata robótica modelada a partir de la pata de un ave no voladora. Construyeron su pata de ave artificial de modo que su pie no tenga motor, sino una articulación equipada con un resorte y un mecanismo de cable. El pieestá acoplado mecánicamente al resto de las articulaciones de la pierna a través de cables y poleas. Cada pierna contiene solo dos motores: el motor de las articulaciones de la cadera, que balancea la pierna hacia adelante y hacia atrás, y un pequeño motor que flexiona la articulación de la rodilla para levantar la pierna.Después del montaje, los investigadores caminaron con BirdBot en una cinta rodante para observar cómo se plegaba y se desplegaba el pie del robot.-El mecanismo articular de resorte-tendón coordina los movimientos de las articulaciones. Cuando la pierna entra en la fase de balanceo, el pie desacopla el resorte de la pierna, o el resorte del músculo-tendón, como creemos que sucede en los animales", agrega Badri-Spröwitz.
Cero esfuerzo al estar de pie y al flexionar la pierna y la rodilla
Al estar de pie, la pierna gasta cero energía. "Anteriormente, nuestros robots tenían que trabajar contra el resorte o con un motor, ya sea al estar de pie o al tirar de la pierna hacia arriba, para evitar que la pierna chocara con el suelo durante el balanceo de la pierna. Estola entrada de energía no es necesaria en las piernas de BirdBot", dice Badri-Spröwitz y Aghamaleki Sarvestani agrega: "En general, el nuevo robot requiere solo una cuarta parte de la energía de su predecesor".
La cinta de correr ahora se vuelve a encender, el robot comienza a correr y, con cada movimiento de la pierna, el pie desengancha el resorte de la pierna. Para desengancharse, el movimiento grande del pie afloja el cable y las articulaciones restantes de la pierna se balancean sin apretar. Esta transición de estados, entre estar de pie y balancear la pierna, es proporcionado en la mayoría de los robots por un motor en la articulación. Y un sensor envía una señal a un controlador, que enciende y apaga los motores del robot. "Anteriormente, los motores se cambiaban dependiendo de si la pierna estabaen la fase de balanceo o apoyo. Ahora el pie asume esta función en la máquina para caminar, cambiando mecánicamente entre apoyo y balanceo. Solo necesitamos un motor en la articulación de la cadera y un motor para doblar la rodilla en la fase de balanceo. Dejamos la piernaenganche y desenganche del resorte a la mecánica inspirada en las aves. Esto es robusto, rápido y eficiente en el consumo de energía", dice Badri-Spröwitz.
Monica Daley observó en varios de sus primeros estudios de biología que la estructura de las patas del ave no solo ahorra energía al caminar y estar de pie, sino que también está adaptada por naturaleza para que el animal apenas tropiece y se lastime. En experimentos con gallinas de Guinea corriendo sobre baches ocultos,ella cuantificó la notable robustez de locomoción de las aves. Una inteligencia morfológica está integrada en el sistema que permite al animal actuar rápidamente, sin tener que pensar en ello. Daley había demostrado que los animales controlan sus patas durante la locomoción no solo con la ayuda deel sistema nervioso Si un obstáculo inesperado se interpone en el camino, no siempre es el sentido del tacto o la vista del animal el que entra en juego.
"La estructura con sus tendones-músculos multiarticulados y su movimiento único del pie pueden explicar por qué incluso las aves grandes y pesadas corren tan rápido, con tanta fuerza y con un consumo de energía tan eficiente. Si asumo que todo en el ave se basa en la detección yacción, y el animal pisa un obstáculo inesperado, es posible que el animal no pueda reaccionar lo suficientemente rápido. La percepción y la detección, incluso la transmisión de los estímulos, y la reacción cuestan tiempo", dice Daley.
Sin embargo, el trabajo de Daley sobre pájaros en movimiento durante 20 años demuestra que los pájaros responden más rápido de lo que permite el sistema nervioso, lo que indica contribuciones mecánicas al control. Ahora que el equipo desarrolló BirdBot, que es un modelo físico que demuestra directamente cómo funcionan estos mecanismos,todo tiene más sentido: la pata cambia mecánicamente si hay un bache en el suelo. El cambio ocurre de inmediato y sin demora. Al igual que las aves, el robot presenta una gran robustez de locomoción.
Ya sea en la escala de un Tyrannosaurus Rex o una pequeña codorniz, o una pata robótica pequeña o grande. Teóricamente, ahora se pueden implementar patas de un metro de altura para transportar robots con el peso de varias toneladas, que caminan con poca energía.aporte.
El conocimiento obtenido a través de BirdBot desarrollado en Dynamic Locomotion Group y la Universidad de California, Irvine, conduce a nuevos conocimientos sobre los animales, que se adaptan a la evolución. Los robots permiten probar y, a veces, confirmar hipótesis de biología y avanzar en ambos campos.
Video de BirdBot: http://youtu.be/wwH40rYJt9g
Fuente de la historia:
Materiales proporcionado por Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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