07/03/2023
Door Ad Spijkers
Een springende robot ter grootte van een insect demonstreert de mogelijkheden die de natuur ons biedt.
Als dieren en insecten over gras en zand kunnen springen, waarom zouden robots dat dan niet kunnen? Onderzoekers aan Carnegie Mellon University in Pittsburgh constateerden dat ze niet ver hoefden te zoeken om dit in robots mogelijk te maken. Een sprinkhaan verplaatst zich door met de sterke dijspier het kniegewricht (dat grotendeels bestaat uit een sterk veermechanisme) op spanning te brengen. Als het gewricht (de grendel) wordt ontspannen, wordt de scheen razendsnel in het verlengde gebracht van de dij en wordt de sprinkhaan vervolgens gelanceerd (bron: Wikipedia).
Robotsprinkhaan
De onderzoekers zijn geïnteresseerd hoe ze functionele, kleine robots kunnen bouwen die zich in verschillende omgevingen kunnen verplaatsen. Traditioneel worden springende robots bestudeerd op harde oppervlakken. Het ontwerpen van een soort robotsprinkhaan die efficiënt kan functioneren op zachte ondergronden is een grote stap voor robotica.
Bestaande vergrendelingsmechanismen die ooit werden gezien als een 'aan'- of 'uit'-schakelaar om opgeslagen energie vrij te geven, kunnen ook worden gebruikt om de springprestaties op een breed scala aan terreinen te regelen. Het onderzoeksteam gebruikte een wiskundig model om te illustreren hoe een grendel een rol speelt in het vermogen van het systeem om zijn sprongprestaties aan te passen voordat ze hun bevindingen testten op een robotspringer.
Ze ontdekten dat de grendel niet alleen de energieopbrengst kan bemiddelen, maar ook de energieoverdracht tussen de springende robot en de omgeving waaruit hij springt. Door een ronde grendel te gebruiken, kunnen ze de sprong vertragen en de robot laten profiteren van de terugslag van de ondergrond. Het team testte de robotsprinkhaan op een boomtak en keek hoe de tak terugdeinsde voordat de springer vertrok. Dit bewees dat de springer een deel van de aanvankelijk aan de boomtak verloren energie terugvond.
Vergrendeling
Maar onverwacht ontdekten de onderzoekers ook dat een scherpe vergrendeling (radius nul) soms beter presteerde dan hun afgeronde vergrendeling, in tegenstelling tot modelvoorspellingen. In deze gevallen kwam de boomtak na het opstijgen in botsing met de robot, waardoor een onconventionele vorm van energieterugwinning uit de substraatbult ontstond. De botsing gaf de jumper extra energie waardoor hij beter presteerde dan de goed gecontroleerde springende robot met ronde vergrendeling.
Nu ze de natuurlijke ontwerpruimte begrijpen, kunnen ze iets bouwen dat profiteert van de flexibiliteit van zachte substraten. Biologen zijn net zo gemotiveerd om deze ruimte te begrijpen om te onderscheiden hoe biologische organismen zoals sprinkhanen hun energieproductie kunnen beheersen wanneer ze door gras springen.
Controle
Het was tot nu toe bijna onmogelijk om gecontroleerde robots ter grootte van een insect te ontwerpen, omdat ze in slechts milliseconden worden gelanceerd. Nu hebben de onderzoekers meer controle of hun robots 30 cm of 90 cm omhoog springen. Of ze kunnen de robotsprinkhaan consistent laten springen ondanks de grote variatie in substraat. Het is voor de onderzoekers fascinerend dat de grendel – die ze toch al nodig hebben in hun robots – kan worden gebruikt om sprongen te besturen die ze voorheen niet konden beheersen.
De wetenschappelijke publicatie vindt u hier.
Foto: Carnegie Mellon College of Engineering