Att gå på flera ben kan vara mycket lättare än man tidigare trott

Att gå på flera ben kan vara mycket lättare än man tidigare trott

Fysiken i att gå för flerbenta djur och robotar är enklare än man tidigare trott. Det är upptäckten som beskrivs av ett team av robotiker, fysiker och biologer i en artikel med titeln "Walking is like slithering: a unifying, datadriven view of locomotion" i 5 september-numret av Proceedings of the National Academy of Sciences. "

Detta är viktigt eftersom det kommer att tillåta robotister att bygga mycket enklare modeller för att beskriva hur robotar går och rör sig genom världen.”

Nick Gravish, medförfattare till artikeln, fakultetsmedlem, Department of Mechanical and Aerospace Engineering, University of California San Diego

Forskarna hade tidigare studerat myrvandring och ville se hur deras fynd kunde tillämpas på robotar. De upptäckte ett nytt matematiskt förhållande mellan att gå, hoppa, glida och simma i trögflytande vätskor för flerbenta djur och bots.

Teamet studerade flera kolonier av argentinska myror vid UC San Diego och två olika typer av flerbenta robotar vid University of Michigan.

"Argentinska myror är väldigt lätta att studera i laboratoriet", säger medförfattaren Glenna Clifton, en fakultetsmedlem vid University of Portland som ledde det mesta av myrforskningen när hon var postdoktor i Gravishs labb vid UC San Diego.

Argentina myror är bra vandrare som kan resa långa sträckor över olika terräng. Dessa myror anpassar sig också lätt till laboratoriemiljöer och bygger snabbt upp sina kolonier igen. Forskare kan sedan motivera dem att gå genom att placera mat på specifika platser. "Dessa myror kommer att skapa matningsvägar och följa dem," sa Clifton. "De återhämtar sig snabbt och hyser inget agg."

För att studera dessa olika djur och robotar använde forskarna en algoritm utvecklad av Shai Revzens forskargrupp vid University of Michigan som omvandlar komplexa kroppsrörelser till former. "Denna algoritm tillåter oss att etablera ett enkelt förhållande mellan din hållning och din nästa rörelse," sa Gravish.

Forskarna fann att samma algoritmer kunde tillämpas på både myror och de två olika typerna av robotar i studien, även om graden av halka under gång var väldigt olika. Argentinska myror halkar inte heller mycket när de går – endast 4,7 % av den totala rörelsen. Däremot är denna glidprocent 12 % till 22 % för den sexbenta BigANT-roboten och 40 % till 100 % för de sex- till 12-benta Multipod-robotarna i studien, som ibland kryper.

Genom att använda denna modell kan forskare förutsäga var insekten eller roboten kommer att röra sig härnäst helt enkelt baserat på den hållning - eller form - de antar. "Detta ger en universell platsmodell som gäller när rörelse domineras av friktion med omgivningen", skriver forskarna.

Matematiken forskarna använde är inte ny. Men matematiken förstods endast gälla glidning och simning i trögflytande vätskor. Teamet visade att samma ekvationer gäller för flerbensgång, oavsett om vandrare halkar eller inte. Dessutom gäller samma regler från millimeterstora insekter som myror till meterstora robotar. En tidig version av papperstiteln var "Walking Like a Worm."

"Universaliteten av detta tillvägagångssätt kan ha tillämpningar inom robotdesign och rörelseplanering, och ger insikt i utvecklingen och kontrollen av benrörelse," skriver forskarna.

Forskare tror att dessa universella principer kan ha konsekvenser för att förstå viktiga evolutionära övergångar, som från simning till promenader. Eftersom promenader, även om det innebär att halka, följer samma allmänna kontrollprinciper som trögflytande simning, kan tidiga landdjur redan ha haft de neurala kretsar som är nödvändiga för förflyttning på land.

Forskarna studerade inte tvåfota varelser, men modellen skulle gälla dem så länge de rör sig långsamt; ha båda fötterna på golvet samtidigt; och fall inte. (Föreställ dig att Michael Jackson går månpromenad.)

Teamet behöver fortfarande finjustera, till exempel för att förstå vilken roll friktionskrafter spelar i modellen.

"I alla fall kan promenader vara mycket lättare än vi normalt tror," sa Gravish.

Källa:

University of California, San Diego

.