Tydeliggørelse af fysikken ved at gå:For flerbenede væsner er det meget som at glide

Fysikken ved at gå for flerbenede dyr og robotter er enklere end tidligere antaget. Det er opdagelsen beskrevet af et hold af robotikere, fysikere og biologer i udgaven af ​​5. september af Proceedings of the National Academy of Sciences, i et papir med titlen "At gå er som at glide:et samlende, datadrevet syn på bevægelse."

"Dette er vigtigt, fordi det vil gøre det muligt for robotikere at bygge meget enklere modeller til at beskrive den måde, robotter går og bevæger sig gennem verden på," sagde papirmedforfatter Nick Gravish, et fakultetsmedlem i Department of Mechanical and Aerospace Engineering ved University of California San. Diego.

Forskerne havde tidligere studeret myrevandring og ville se, hvordan deres resultater kunne anvendes på robotter. I processen opdagede de et nyt matematisk forhold mellem at gå, springe, glide og svømme i tyktflydende væsker for flerbenede dyr og bots.

Holdet studerede flere kolonier af argentinske myrer ved UC San Diego og to forskellige typer flerbenede robotter ved University of Michigan.

"Argentinske myrer er meget nemme at studere i laboratoriet," sagde papirmedforfatter Glenna Clifton, et fakultetsmedlem ved University of Portland, som udførte det meste af myreforskningen, mens hun var postdoc i Gravishs laboratorium ved UC San Diego.

Argentinske myrer er gode vandrere, der kan gå lange afstande over forskellige terræner. Disse myrer vænner sig også nemt til laboratorieindstillinger og genopbygger deres kolonier hurtigt. Forskere kan derefter motivere dem til at gå ved at placere mad på bestemte steder. "Disse myrer vil oprette fourageringsstier og følge dem," sagde Clifton. "De hopper hurtigt tilbage, og de bærer ikke nag."

For at studere disse forskellige dyr og robotter brugte forskere en algoritme udviklet af forskergruppen Shai Revzen ved University of Michigan, som omdanner komplekse kropsbevægelser til former. "Denne algoritme giver os mulighed for at skabe et simpelt forhold mellem, hvilken stilling du er i, og hvor du vil bevæge dig næste gang," sagde Gravish.

Forskerne fandt ud af, at de samme algoritmer kunne anvendes både på myrer og de to forskellige typer robotter i undersøgelsen, selvom mængden af ​​glidende bevægelser, når de går, er meget forskellig. Argentinske myrer glider heller ikke meget, når de går - kun 4,7 % af den samlede bevægelse. I modsætning hertil er skridningsprocenten 12% til 22% for den seksbenede BigANT-robot og 40% til 100% for multipod-robotterne med seks til 12 ben i undersøgelsen, som nogle gange kravler.

Ved at bruge denne model kan forskere forudsige, hvor insektet eller robotten vil bevæge sig næste gang, blot baseret på hvilken kropsholdning - eller form - de laver. "Dette giver en universel model for placering, der gælder, når bevægelsen er domineret af friktion med miljøet," skriver forskerne.

Den matematik, forskerne brugte, er ikke ny. Men regnestykket blev forstået til kun at gælde for glidning og svømning i tyktflydende væsker. Holdet viste, at de samme ligninger gælder for gang med flere ben, uanset om vandrerne glider eller ej. Derudover gælder de samme regler fra millimeterskala insekter, såsom myrer, til meterskala robotter. En tidlig version af papirtitlen var "at gå som en orm."

"Universaliteten af ​​denne tilgang kan have anvendelser i robotdesign og bevægelsesplanlægning og giver indsigt i udviklingen og kontrollen af ​​benbevægelse," skriver forskerne.

Forskere antager, at disse universelle principper kan have betydning for forståelsen af ​​store evolutionære overgange, for eksempel fra svømning til at gå. I betragtning af at gang, selv med glidning, følger de samme generelle kontrolprincipper som tyktflydende svømning, kan tidlige landdyr allerede have haft det neurale kredsløb, der er nødvendigt for at bevæge sig på land.

Forskere studerede ikke to-benede væsner, men modellen ville gælde for dem, så længe de bevæger sig langsomt, har begge fødder på jorden på samme tid og ikke falder. (Billed Michael Jackson under månevandringen.)

Holdet har stadig mere at finjustere, for at forstå for eksempel, hvilken rolle friktionskræfterne spiller i modellen.

"Uanset hvad kan gå være meget enklere, end vi normalt tror," sagde Gravish. + Udforsk yderligere

En bæver-inspireret metode til at guide bevægelserne af en etbenet svømmerobot