Los ingenieros han diseñado robots que se arrastran, nadan, vuelan e incluso se deslizan como una serpiente, pero ningún robotic puede sostener una vela a una ardilla, que puede parkour a través de un matorral de ramas, saltar a través de brechas peligrosas y ejecutar desembarques en las ramas más llenas de ramas.
Universidad de California, Berkeley, biólogos e ingenieros están tratando de remediar esa situación. Según los estudios de la biomecánica de los saltos y los aterrizajes de la ardilla, han diseñado un robotic de lúpulo que puede pegar un aterrizaje en una percha estrecha.
La hazaña, que se informará en la edición del 19 de marzo de la revista Robótica de la cienciaes un gran paso en el diseño de robots más ágiles, que pueden saltar entre las armaduras y vigas de edificios en construcción o robots que pueden monitorear el medio ambiente en bosques enredados o toldos de árboles.
“Los robots que tenemos ahora están bien, pero ¿cómo lo llevas al siguiente nivel? ¿Cómo se obtiene los robots para navegar por un entorno desafiante en un desastre donde tienes tuberías, vigas y cables?
“Las ardillas son los mejores atletas de la naturaleza”, agregó Full. “La forma en que pueden maniobrar y escapar es increíble. La concept es tratar de definir las estrategias de management que les dan a los animales una amplia gama de opciones de comportamiento para realizar hazañas extraordinarias y usar esa información para construir robots más ágiles”.
Justin Yim, ex alumno graduado de UC Berkeley y co-primero autor de The Paper, tradujo lo que Full y sus estudiantes de biología descubrieron en las ardillas a Salto, un robotic con una sola patrimonio desarrollado en UC Berkeley en 2016 que ya podían saltar y Parkour y pegar un aterrizaje, pero solo en tierra plana. El desafío period pegar el aterrizaje mientras golpeaba un punto específico: una barra estrecha.
“Si piensas en tratar de saltar a un punto, tal vez estás haciendo algo como jugar a la raya de la láancia y quieres aterrizar los pies en cierto lugar, quieres pegar ese aterrizaje y no dar un paso”, explicó Yim, ahora profesor asistente de ciencias mecánicas e ingeniería en la Universidad de Illinois, Urbana Champaign (UIUC). “Si sientes que te vas a caer hacia adelante, entonces podrías ponerte los brazos, pero probablemente también te pararás directamente para evitar caer. Si parece que te estás cayendo hacia atrás y es posible que tengas que sentarte porque no vas a ser capaz de lograrlo, si podrías hacer un paso atrás, pero es possible que también sea que lo hagas. Va a balancearse, debería extenderse y mantenerse alto “.
Utilizando estas estrategias, Yim se está embarcando en un proyecto financiado por la NASA para diseñar un robotic pequeño y de una pierna que pueda explorar Encelado, una luna de Saturno, donde la gravedad es una octava parte de la Tierra, y un solo lúpulo podría llevar el robotic a la longitud de un campo de fútbol.
El nuevo diseño de robotic se basa en un análisis biomecánico de aterrizajes de ardillas detallados en un artículo aceptado para su publicación en el Journal of Experimental Biology y publicado en línea el 27 de febrero. El autor senior y ex alumno graduado Sebastian Lee es el primer autor de ese artículo.
Mezclar biología y robótica
Salto, abreviatura de la locomoción ágil saltatorial en los obstáculos del terreno, se originó hace una década en el laboratorio de Ronald Fearing, ahora profesor en la escuela de posgrado en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Informática de UC Berkeley (EEC). Gran parte de su capacidad de salto, parkouring y aterrizaje es el resultado de una colaboración interdisciplinaria de larga information entre estudiantes de biología en el laboratorio de polipedal de Full y los estudiantes de ingeniería en el Laboratorio de Millisystems Biomiméticos de Fearing.
Durante los cinco años, Yim fue un estudiante de posgrado de UC Berkeley, obtuvo su Ph.D. En EECS en 2020, con el temor como su asesor, se reunió con el grupo de Full cada dos semanas para aprender de sus experimentos de biología. Yim estaba tratando de aprovechar la capacidad de Salto para aterrizar en un lugar plano, incluso al aire libre, para lograr que alcance un objetivo específico, como una rama. Salto ya tenía un volante motorizado, o una rueda de reacción, para ayudarlo a equilibrar, como los humanos ruedan los brazos para restaurar el equilibrio. Pero eso no fue suficiente para que pegara un aterrizaje directo en una percha precaria. Decidió intentar revertir los motores que lanzan a Salto y usarlos para frenar cuando aterrizan.
Sospechando que las ardillas hicieron lo mismo con sus piernas al aterrizar, los equipos de biología y robótica trabajaron en paralelo para confirmar esto y demostrar que ayudaría a Salto a pegar un aterrizaje. El equipo de Full instrumentó una rama con sensores que midieron la fuerza perpendicular a la rama cuando una ardilla aterrizó y el par o la fuerza de giro con respecto a la rama que la ardilla aplicó con sus pies.
El equipo de investigación encontró, basado en mediciones de movies y sensores de alta velocidad, que cuando las ardillas aterrizan después de un salto heroico, básicamente hacen una parada de manos en la rama, dirigiendo la fuerza de aterrizar a través de la articulación del hombro para estresar la articulación lo menos posible. Usando almohadillas en sus pies, agarran la rama y giran para superar cualquier exceso de torque amenazan con enviarlas sobre o debajo de la rama.
“Casi toda la energía, el 86% de la energía cinética, fue absorbida por las patas delanteras”, dijo. “Realmente están haciendo soportes de manos frontales en la rama, y luego el resto sigue. Luego, sus pies generan un par de pull-up, si se están cayendo; si van a ir por encima, están sobreviviendo, potencialmente, generan un torque de frenado”.
Quizás más importante para el equilibrio, sin embargo, descubrieron que las ardillas también ajustan la fuerza de frenado aplicada a la rama cuando aterriza para compensar la sobre o la subsolera.
“Si vas a subrayar, lo que puedes hacer es generar menos fuerza que rompa las piernas; tu pierna colapsará un poco, y luego tu inercia será menor, y eso te cambiará para corregir”, dijo Full. “Mientras que si estás sobrepasando, quieres hacer lo contrario, quieres que tus piernas generen más fuerza de rotura para que tengas una inercia más grande y te ralentice para que puedas tener un aterrizaje equilibrado”.
El pregrado de Yim y UC Berkeley Eric Wang rediseñó a Salto para incorporar fuerzas de piernas ajustables, complementando el par de la rueda de reacción. Con estas modificaciones, Salto pudo saltar a una rama y equilibrar un puñado de veces, a pesar del hecho de que no tenía capacidad para agarrarse con los pies, dijo Yim.
“Decidimos tomar el camino más difícil y darle al robotic ninguna capacidad de aplicar ningún par en la rama con sus pies. Diseñamos específicamente una pinza pasiva que incluso tenía muy baja fricción para minimizar ese par”, dijo Yim. “En el trabajo futuro, creo que sería interesante explorar otras pinzas más capaces que podrían expandir drásticamente la capacidad del robotic para controlar el par que aplica a la rama y ampliar su capacidad para aterrizar. Tal vez no solo en las ramas, sino también en un terreno plano complejo”.
Paralelamente, Full ahora está investigando la importancia del par aplicado por el pie de la ardilla al aterrizar. A diferencia de los monos, las ardillas no tienen un pulgar utilizable que permita un agarre prensil, por lo que deben palmar una rama, dijo. Pero eso puede ser una ventaja.
“Si eres una ardilla perseguida por un depredador, como un halcón u otra ardilla, quieres tener una comprensión suficientemente estable, donde puedes parkour de una sucursal rápidamente, pero no un agarre demasiado firme”, dijo. “No tienen que preocuparse por dejar ir, simplemente rebotan”.
Los robots de una sola patrimonio pueden sonar poco prácticas, dada el potencial de caer al estar quieto. Pero Yim cube que para saltar muy alto, una pierna es el camino a seguir.
“Una pierna es el mejor número para saltar; puede poner la mayor potencia en esa pierna si no distribuye esa potencia entre múltiples dispositivos diferentes. Y los inconvenientes que obtiene al tener solo una pierna disminuye a medida que salta más alto”, dijo Yim. “Cuando saltas muchas, muchas veces la altura de tus piernas, solo hay una marcha, y esa es la marcha en la que cada pierna toca el suelo al mismo tiempo y cada pierna sale del suelo aproximadamente al mismo tiempo. Entonces, en ese momento, tener varias piernas es como tener una pierna. Bien podría usar la única”.
Otros coautores del Robótica de la ciencia El documento teme y el ex universitario de UC Berkeley Eric Wang, ahora estudiante de posgrado en el MIT, y el ex alumno graduado Nathaniel Hunt, ahora profesor asociado en la Universidad de Nebraska en Omaha. Coautores del J. Exp. Biografía El documento son Wang, Hunt, Fearing, UC Berkeley Profesor de Ingeniería Mecánica Hannah Stuart y ex estudiantes universitarios de UC Berkeley Stanley Wang y Duyi Kuang. La investigación fue financiada por la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU. (W911NF-18-1-0038, W911NF-1810327) y los Institutos Nacionales de Salud (P20GM109090).
