Das Gehen auf mehreren Beinen kann viel einfacher sein als bisher angenommen

Die Laufphysik für mehrbeinige Tiere und Roboter ist einfacher als bisher angenommen. Das ist die Erkenntnis, die ein Team aus Robotikern, Physikern und Biologen in der Ausgabe der Proceedings of the National Academy of Sciences vom 5. September in einem Artikel mit dem Titel „Walking is like slithering: a uniting, data-driven view of locomotion“ beschrieben hat. „

Das ist wichtig, weil es Robotikern ermöglichen wird, viel einfachere Modelle zu bauen, um zu beschreiben, wie Roboter gehen und sich durch die Welt bewegen.“

Nick Gravish, Co-Autor des Artikels, Fakultätsmitglied, Department of Mechanical and Aerospace Engineering, University of California San Diego

Die Forscher hatten zuvor das Laufen von Ameisen untersucht und wollten sehen, wie ihre Erkenntnisse auf Roboter angewendet werden könnten. Dabei entdeckten sie eine neue mathematische Beziehung zwischen Gehen, Hüpfen, Rutschen und Schwimmen in viskosen Flüssigkeiten für mehrbeinige Tiere und Bots.

Das Team untersuchte mehrere Kolonien argentinischer Ameisen an der UC San Diego und zwei verschiedene Arten von mehrbeinigen Robotern an der University of Michigan.

„Argentinische Ameisen sind im Labor sehr einfach zu untersuchen“, sagte die Co-Autorin des Artikels, Glenna Clifton, Fakultätsmitglied an der University of Portland, die den größten Teil der Ameisenforschung leitete, als sie Postdoktorandin in Gravishs Labor an der UC San Diego war.

Argentinische Ameisen sind gute Wanderer, die lange Strecken über verschiedene Terrains zurücklegen können. Diese Ameisen gewöhnen sich auch leicht an Laborumgebungen und bauen ihre Kolonien schnell wieder auf. Die Forscher können sie dann zum Gehen motivieren, indem sie Lebensmittel an bestimmten Orten platzieren. „Diese Ameisen werden Futterpfade anlegen und ihnen folgen“, sagte Clifton. „Sie erholen sich schnell und hegen keinen Groll.“

Um diese verschiedenen Tiere und Roboter zu untersuchen, verwendeten die Forscher einen Algorithmus, der von der Forschungsgruppe von Shai Revzen an der University of Michigan entwickelt wurde und komplexe Körperbewegungen in Formen umwandelt. „Dieser Algorithmus ermöglicht es uns, eine einfache Beziehung zwischen Ihrer Körperhaltung und Ihrer nächsten Bewegung herzustellen“, sagte Gravish.

Die Forscher fanden heraus, dass die gleichen Algorithmen sowohl auf Ameisen als auch auf die beiden verschiedenen Arten von Robotern in der Studie angewendet werden konnten, obwohl das Ausmaß der Rutschbewegungen beim Gehen sehr unterschiedlich war. Argentinische Ameisen rutschen auch nicht viel aus, wenn sie gehen – nur 4,7 % der Gesamtbewegung. Im Gegensatz dazu beträgt dieser Rutschprozentsatz 12 % bis 22 % für den sechsbeinigen BigANT-Roboter und 40 % bis 100 % für die Multipod-Roboter mit sechs bis 12 Beinen in der Studie, die manchmal kriechen.

Durch die Verwendung dieses Modells können Forscher vorhersagen, wohin sich das Insekt oder der Roboter als nächstes bewegen wird, einfach basierend auf der Haltung – oder Form –, die sie einnehmen. „Dies liefert ein universelles Standortmodell, das immer dann gilt, wenn die Bewegung von Reibung mit der Umgebung dominiert wird“, schreiben die Forscher.

Die Mathematik, die die Forscher verwendeten, ist nicht neu. Aber die Mathematik wurde so verstanden, dass sie nur für das Gleiten und Schwimmen in viskosen Flüssigkeiten galt. Das Team zeigte, dass die gleichen Gleichungen für das Gehen auf mehreren Beinen gelten, unabhängig davon, ob die Geher ausrutschen oder nicht. Darüber hinaus gelten die gleichen Regeln von millimetergroßen Insekten wie Ameisen bis hin zu metergroßen Robotern. Eine frühe Version des Papiertitels lautete „Gehen wie ein Wurm“.

„Die Universalität dieses Ansatzes kann Anwendungen im Roboterdesign und in der Bewegungsplanung haben und gibt Einblick in die Evolution und Kontrolle der Fortbewegung auf Beinen“, schreiben die Forscher.

Forscher gehen davon aus, dass diese universellen Prinzipien Auswirkungen auf das Verständnis wichtiger evolutionärer Übergänge haben könnten, beispielsweise vom Schwimmen zum Gehen. Da das Gehen, selbst wenn es ausrutscht, den gleichen allgemeinen Kontrollprinzipien folgt wie das viskose Schwimmen, verfügten frühe Landtiere möglicherweise bereits über die neuronalen Schaltkreise, die für die Fortbewegung an Land erforderlich sind.

Die Forscher untersuchten keine zweibeinigen Kreaturen, aber das Modell würde auf sie zutreffen, solange sie sich langsam bewegen; beide Füße gleichzeitig auf dem Boden haben; und nicht fallen. (Stellen Sie sich Michael Jackson beim Mondspaziergang vor.)

Das Team muss noch an Feinschliff arbeiten, um zum Beispiel zu verstehen, welche Rolle Reibungskräfte im Modell spielen.

„In jedem Fall kann das Gehen viel einfacher sein, als wir normalerweise denken“, sagte Gravish.

Quelle:

Universität von Kalifornien, San Diego

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