04/10/2023
Door Ad Spijkers
Amerikaans onderzoek toont het belang van ritme aan als ontwerpelement in evolutie en robotica.
Het internet staat bol van video’s van futuristische robots die rondschieten en rondrennen als de dieren die ze nabootsen. Maar volgens onderzoekers aan Duke University in Durham (Noord-Carolina) zit er een element in de programmering van hun bewegingen dat niet over het hoofd mag worden gezien: ritme. Robotici moeten er bij het ontwerpen van mobiele robots rekening houden dat het ritme van de bewegingen van dieren – zoals kikkers of mensen die de schoolslag doen – een ontwerpelement is.
Vrijheidsgraden
Bij het analyseren van poten, vleugels en vinnen voor het verplaatsen van robots of dieren in de echte wereld ziet de wiskunde er redelijk eenvoudig uit. Ledematen met meerdere secties van verschillende lengtes creëren verschillende verhoudingen voor hefboomwerking. Lichamen met afwisselende vormen en afmetingen creëren luchtweerstandscoëfficiënten en massacentra. Voeten, vleugels of vinnen van verschillende vormen en maten oefenen invloed uit op de wereld om hen heen.
Al deze opties creëren vrijheidsgraden in het uiteindelijke ontwerp. Maar tot nu toe besteedde niemand veel aandacht aan de timing van hoe ze allemaal samenwerken, zeggen de onderzoekers. Het minimaliseren van de hoeveelheid werk die wordt gedaan door de snelheid van het bewegingsmechanisme te variëren, is een idee dat al lang bestaat. Maar het variëren van het ritme van die beweging – de muziek van hoe de stukken in de loop van de tijd samen bewegen – is een ontwerpaspect dat over het hoofd wordt gezien, ook al kan het de prestaties verbeteren.
Ontwerpers kunnen (en zouden dat ook moeten doen) ritmes van bewegingen leren aan wedstrijdzwemmers en hardlopers die op zoek zijn naar een voorsprong. Ritme vergroot het aantal knoppen waaraan je kunt draaien als je door de wereld probeert te bewegen. Het is een voorbeeld van hoe goed ontwerp – of het nu door mensen is gemaakt of door natuurlijke evolutie – echt een vorm van kunst is.
Tijdsintervallen
De onderzoekers wijzen naar biologische zwemmers, zoals kikkers of mensen die de schoolslag doen. Hun zwempoort wordt gekenmerkt door drie tijdsintervallen: een langzame periode van vooruit reiken, een snelle periode van achteruit duwen en een statische periode van uitrollen. Voor optimale prestaties gaan de tijdsduur voor deze intervallen doorgaans lang, snel, lang. Maar in bepaalde situaties – bijvoorbeeld als je een roofdier er uit te lopen of te slim af bent – veranderen de verhoudingen van die perioden drastisch.
Bij het ontwerp van robots die zijn gebouwd om honden, vissen of vogels na te bootsen, kan het opnemen van verschillende ritmes in hun bewegingen hun normale activiteiten efficiënter maken. Die optimale ritmes zullen de keuzes beïnvloeden die gemaakt worden voor alle andere onderdelen van het totale ontwerp. Ritme vergroot het aantal knoppen waaraan een ontwerper kan draaien als hij of zij door de wereld probeert te bewegen.
De wetenschappelijke publicatie vindt u hier.
Foto: Duke University, Pratt School of Engineering