Lopen op meerdere benen kan veel gemakkelijker zijn dan eerder werd gedacht

Lopen op meerdere benen kan veel gemakkelijker zijn dan eerder werd gedacht

De fysica van het lopen voor meerpotige dieren en robots is eenvoudiger dan eerder werd gedacht. Dat is de bevinding beschreven door een team van robotici, natuurkundigen en biologen in een artikel met de titel "Walking is like slithering: a unifying, data-driven view of locomotion" in het nummer van 5 september van de Proceedings of the National Academy of Sciences. “

Dit is belangrijk omdat het robotici in staat zal stellen veel eenvoudigere modellen te bouwen om te beschrijven hoe robots door de wereld lopen en bewegen.”

Nick Gravish, co-auteur van het artikel, lid van de faculteit, afdeling Werktuigbouwkunde en Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek, Universiteit van Californië, San Diego

De onderzoekers hadden eerder mierenlopen bestudeerd en wilden zien hoe hun bevindingen konden worden toegepast op robots. Ze ontdekten een nieuwe wiskundige relatie tussen lopen, springen, glijden en zwemmen in stroperige vloeistoffen voor meerpotige dieren en bots.

Het team bestudeerde verschillende kolonies Argentijnse mieren bij UC San Diego en twee verschillende soorten meerpotige robots aan de Universiteit van Michigan.

"Argentijnse mieren zijn heel gemakkelijk te bestuderen in het laboratorium", zegt co-auteur Glenna Clifton, een faculteitslid aan de Universiteit van Portland die het grootste deel van het mierenonderzoek leidde toen ze postdoctoraal onderzoeker was in het laboratorium van Gravish aan de UC San Diego.

Argentijnse mieren zijn goede wandelaars en kunnen lange afstanden over verschillende terreinen afleggen. Deze mieren passen zich ook gemakkelijk aan laboratoriumomgevingen aan en herbouwen hun kolonies snel. Onderzoekers kunnen hen vervolgens motiveren om te lopen door voedsel op specifieke locaties te plaatsen. “Deze mieren zullen voedingspaden creëren en deze volgen,” zei Clifton. “Ze herstellen snel en koesteren geen wrok.”

Om deze verschillende dieren en robots te bestuderen, gebruikten de onderzoekers een algoritme ontwikkeld door de onderzoeksgroep van Shai Revzen aan de Universiteit van Michigan, dat complexe lichaamsbewegingen omzet in vormen. “Met dit algoritme kunnen we een eenvoudige relatie leggen tussen je houding en je volgende beweging”, aldus Gravish.

De onderzoekers ontdekten dat dezelfde algoritmen konden worden toegepast op zowel mieren als de twee verschillende soorten robots in het onderzoek, hoewel de mate van uitglijden tijdens het lopen heel verschillend was. Argentijnse mieren glijden ook niet veel uit als ze lopen: slechts 4,7% van de totale beweging. Dit slippercentage bedraagt ​​daarentegen 12% tot 22% voor de zespotige BigANT-robot en 40% tot 100% voor de zes- tot twaalfpotige Multipod-robots in het onderzoek, die soms kruipen.

Door dit model te gebruiken kunnen onderzoekers voorspellen waar het insect of de robot vervolgens zal bewegen, simpelweg op basis van de houding (of vorm) die ze aannemen. “Dit levert een universeel locatiemodel op dat van toepassing is wanneer beweging wordt gedomineerd door wrijving met de omgeving”, schrijven de onderzoekers.

De wiskunde die de onderzoekers gebruikten is niet nieuw. Maar men dacht dat de wiskunde alleen van toepassing was op glijden en zwemmen in stroperige vloeistoffen. Het team toonde aan dat dezelfde vergelijkingen gelden voor meerbenig lopen, ongeacht of wandelaars uitglijden of niet. Bovendien gelden dezelfde regels voor insecten van millimeterformaat, zoals mieren, tot robots van metersformaat. Een vroege versie van de papieren titel was 'Walking Like a Worm'.

“De universaliteit van deze aanpak kan toepassingen hebben in robotontwerp en bewegingsplanning, en biedt inzicht in de evolutie en controle van voortbeweging op benen”, schrijven de onderzoekers.

Onderzoekers geloven dat deze universele principes implicaties kunnen hebben voor het begrijpen van belangrijke evolutionaire transities, zoals van zwemmen naar lopen. Omdat lopen, zelfs als het uitglijden met zich meebrengt, dezelfde algemene controleprincipes volgt als stroperig zwemmen, beschikten vroege landdieren mogelijk al over de neurale circuits die nodig zijn voor voortbeweging op het land.

De onderzoekers hebben geen tweevoetige wezens bestudeerd, maar het model zou op hen van toepassing zijn zolang ze langzaam bewegen; beide voeten tegelijkertijd op de grond hebben; en val niet. (Stel je voor dat Michael Jackson maanwandelt.)

Het team moet nog wat finetunen, bijvoorbeeld om te begrijpen welke rol wrijvingskrachten spelen in het model.

“Hoe dan ook, lopen kan veel gemakkelijker zijn dan we normaal denken,” zei Gravish.

Bron:

Universiteit van Californië, San Diego

.