Pássaros são melhores robôs bípedes do que humanos

Pássaros são melhores robôs bípedes do que humanos

14 de julho de 2022 0 Por ucrhyan
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Uma nova máquina chamada BirdBot equilibra eficiência e velocidade de caminhada.

Alexander Bardi-Spröwitz viu mais avestruzes dissecadas do que o engenheiro médio. Doze anos atrás, o pesquisador, agora no Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes em Stuttgart, Alemanha, estava tentando projetar um robô com pernas baseado na biologia das aves. O problema era que a maioria dos biólogos não descreve a anatomia animal em termos amigáveis ​​à engenharia. “Não é o objetivo deles construir um robô”, observa Bardi-Spröwitz. “É um pouco frustrante para mim como engenheiro porque preciso de certos tipos de informação.”

Então ele conheceu Monica Daley, uma cientista veterinária então no Royal Veterinary College, na Inglaterra, que lhe ofereceu uma posição de pós-doutorado ao lado de seus alunos de veterinária. “Isso me fez pensar em como usamos nossa compreensão da locomoção e dos animais para desenvolver robôs mais ágeis”, diz Daley. Agora, essa combinação de experiência veterinária e robótica pesada valeu a pena. Os dois pesquisadores, juntamente com membros do laboratório de Bardi-Spröwitz, criaram o BirdBot – uma máquina bípede que pode um dia explorar terrenos como florestas densas, onde robôs com rodas ou pisadas não podem se mover. Seus resultados foram descritos na Science Robotics em 16 de março.

Para os roboticistas, os pássaros são um ponto de estudo particularmente interessante porque, como os humanos, andam eretos sobre duas pernas. “Dado que existem cerca de 10.000 espécies vivas de aves e apenas uma espécie humana, as aves têm muito a nos oferecer para entender como o bipedismo pode funcionar”, diz Peter Bishop, pesquisador de biomecânica do Museu de Zoologia Comparada da Universidade de Harvard, que foi não envolvido na criação do BirdBot.

Esse tipo de informação é importante para quem deseja recriar a locomoção bípede. Fazer isso, explica Bardi-Spröwitz, “é bastante difícil porque há muitos efeitos muito severos. “É como se você continuasse pousando um avião.” Quando o pé de corrida toca o chão, ele aterrissa com uma força três vezes maior que o peso do corpo do corredor; mesmo andando impacto humano cerca de 1,5. Um pássaro bípede (ou robô inspirado em pássaros) não precisa apenas lidar com esses solavancos repetitivos; ele também deve ser capaz de se equilibrar em uma perna.

Robô BirdBot como imagem renderizada. Crédito: Dynamic Locomotion Group, Instituto Max Planck para Sistemas Inteligentes/Universidade da Califórnia, Irvine; “BirdBot Alcança Marcha com Eficiência Energética com Controle Mínimo Usando Clutching de Perna Inspirado em Aviário”, por Alexander Badri-Spröwitz et al., em Science Robotics, Vol. 7, No. 64; março de 2022

Para manter o BirdBot na posição vertical enquanto está em movimento, a equipe projetou um sistema de mola de suporte de carga que pode alternar rapidamente entre as posições reta e flexionada. diz Bardi-Sprowitz. Como os humanos, os pássaros têm músculos e tendões que se estendem por várias articulações, formando uma estrutura semelhante a uma polia que pode mover automaticamente os ossos conectados de certas maneiras. Mas, ao contrário do pé humano, que tem no máximo duas articulações, os músculos e tendões do membro do pássaro podem abranger até cinco articulações. O BirdBot usa uma rede de cinco articulações que imitam os movimentos das pernas de um pássaro que não voa, como um avestruz, enquanto corre na natureza.

Essa configuração oferece uma vantagem ao permitir que os pés do pássaro se movam mais rápido do que seu sistema nervoso pode funcionar. Embora os impulsos nervosos pareçam instantâneos, eles levam algum tempo para viajar do cérebro para os músculos. Mas com uma rede de cinco músculos, um pássaro não precisa sinalizar cada músculo de forma independente. Ele simplesmente move um, e todo o sistema está funcionando. “Era como um mestre de marionetes controlando tudo de cima para baixo”, diz Daley. Para a equipe de Bardi-Spröwitz, o arranjo eliminou a necessidade de vários sensores complexos de pressão e equilíbrio no rodapé do BirdBot. Isso torna o robô mais elegante, pode ser facilmente dimensionado e consome cerca de 75% menos energia do que robôs de tamanho semelhante.

O engenheiro biomecânico Markus Heller, da Universidade de Southampton, no Reino Unido, que não esteve envolvido no projeto BirdBot, disse: “O que eles mostraram é que, usando isso com uma junta estabilizadora, você tem uma maneira muito boa de fazer as coisas. eficiente para economizar energia. “E você tem isso sem um mecanismo de controle muito complicado.”

Bishop diz que o projeto é “ciência incrível no seu melhor”. Mas ele vê espaço para melhorias nos futuros projetos do BirdBot. Por exemplo, a versão atual do robô só é capaz de se mover ao longo de um plano: para frente e para trás, mas não para os lados. “Todas as articulações dos membros são dobradiças simples, então o robô é mais como ‘2.5-D’”, diz ele (em oposição a totalmente tridimensional).

Bardi-Spröwitz espera resolver essa limitação em futuras iterações. Idealmente, ele imagina robôs inspirados em pássaros que emprestam mãos (ou pés) humanos em práticas sustentáveis ​​de agricultura e silvicultura. Algumas fazendas já usam tratores automatizados para lavrar o solo e pulverizar as plantações, mas esses robôs com rodas são inúteis em terrenos uniformes ou muito arborizados. Bardi-Spröwitz diz: “Robôs com pernas podem superar obstáculos onde robôs com rodas estão sendo bloqueados. Isso permitirá que eles capinem fazendas consorciadas complexas, por exemplo, ou se aprofundem na floresta para monitorar as árvores que foram cortadas.

Essa pesquisa também pode aproximar biólogos e engenheiros da compreensão dos meandros dos pássaros – e dos nossos. “Visitamos a lua há 50 anos”, diz Heller. “Mas se você nos perguntar hoje: ‘Como um joelho realmente funciona?’ Acho que ainda não temos certeza de todos os detalhes disso.”