Kecoak terburu-buru membantu peneliti stabil robot mengejutkan – Sains Terkini


Ew, seekor kecoak! Tapi itu ritsleting sebelum pemukul muncul. Sekarang, para peneliti telah meningkatkan kemampuan berlari bug yang luar biasa untuk menciptakan metode sederhana yang cerdas untuk menilai dan meningkatkan penggerak robot.

Biasanya, pemodelan mekanika, elektronik, dan sains informasi yang membosankan diperlukan untuk memahami bagaimana bagian-bagian bergerak serangga atau robot berkoordinasi dengan lancar untuk menggantikannya. Tetapi dalam sebuah studi baru, para peneliti biomekanik di Institut Teknologi Georgia merobohkan sprint kecoak untuk prinsip-prinsip dan persamaan praktis yang kemudian mereka gunakan untuk membuat robot uji berjalan lebih baik.

Metode ini memberi tahu para peneliti tentang bagaimana setiap kaki beroperasi sendiri, bagaimana mereka semua bersatu secara keseluruhan, dan keharmonisan atau ketiadaannya dalam cara mereka melakukannya. Terlepas dari dinamika gerakan yang sama sekali berbeda dari serangga dan bot, metode baru ini bekerja untuk keduanya dan juga harus bekerja untuk robot dan hewan lain.

Robot biologis, sang kecoak, adalah pelari yang jauh lebih unggul dengan sinyal-sinyal neurologis yang memandu enam kaki yang berkembang sempurna. Robot mekanik, model konsumen, memiliki empat kaki gemuk dan tidak memiliki sistem saraf tetapi mengandalkan kontrol gerak pada kekuatan fisik kasar yang berjalan melalui sasisnya sebagai sinyal kasar untuk secara kasar mengoordinasikan gaya berjalannya yang kikuk.

"Robot itu jauh lebih besar dan hampir tidak bisa merasakan lingkungannya. Kecoak memiliki banyak indera dan dapat beradaptasi lebih baik dengan medan yang kasar. Benjolan setinggi pinggul tidak akan memperlambatnya sama sekali," kata Izaak Neveln, penulis pertama studi tersebut. , yang merupakan peneliti postdoctoral di lab Simon Sponberg di Georgia Tech selama penelitian.

Kesederhanaan tingkat lanjut

Metode, atau "ukuran", seperti yang disebut penelitian itu, melampaui perbedaan besar ini, yang meliputi robot-robot yang diilhami binatang.

"Ukurannya bersifat umum (universal) dalam arti bahwa itu dapat digunakan terlepas dari apakah sinyal adalah pola spiking saraf, kinematika, voltase atau gaya dan tidak tergantung pada hubungan khusus antara sinyal," tulis para penulis penelitian.

Tidak peduli bagaimana bug atau bot berfungsi, input dan output matematis selalu berada di unit yang sama. Langkah ini tidak akan selalu menghilangkan kebutuhan untuk pemodelan, tetapi ia berdiri untuk mempersingkat dan memandu pemodelan dan mencegah langkah yang salah.

Para penulis menerbitkan studi ini dalam jurnal Komunikasi Alam pada Agustus 2019. Penelitian ini didanai oleh National Science Foundation. Sponberg adalah asisten profesor di Sekolah Fisika Georgia Tech dan di Sekolah Ilmu Biologi.

Sentralisasi vs. desentralisasi

Seringkali bot atau hewan mengirim banyak sinyal berjalan melalui sistem pusat untuk menyelaraskan penggerak, tetapi tidak semua sinyal terpusat. Bahkan pada manusia, meskipun penggerak sangat bergantung pada sinyal dari sistem saraf pusat, beberapa sinyal saraf terbatas pada daerah tubuh; mereka adalah sinyal lokal.

Beberapa serangga tampak bergerak dengan sedikit sentralisasi – seperti stick bug, juga dikenal sebagai tongkat jalan, yang kakinya berkaki hampir secara mandiri. Stick bug adalah pelari yang payah.

"Idenya adalah bahwa bug tongkat memiliki kontrol gerak yang lebih lokal, sedangkan kecoak berjalan sangat cepat dan perlu menjaga stabilitas, dan kontrol gerakannya mungkin lebih terpusat, lebih seperti jarum jam," kata Neveln.

Sentralisasi sinyal yang kuat umumnya mengkoordinasikan pergerakan dengan lebih baik. Itu bisa berupa kode yang berjalan melalui kabel robot yang rumit, neuron sentral seekor kecoak menyinkronkan kakinya, atau sasis robot yang kikuk memiringkan kaki yang menabrak tanah sehingga memberikan bobot pada kaki yang berseberangan. Roboticists perlu melihat perbedaan dan mencari tahu interaksi dari sinyal lokal dan sentral lokomotor.

Fisika keren

"Ukuran" baru melakukan ini dengan berfokus pada fenomena menyeluruh di kaki berjalan, yang dapat dilihat sebagai pendula bergerak bolak-balik. Untuk penggerak yang hebat, mereka perlu selaras dalam apa yang disebut osilasi fase-kopling.

Eksperimen yang menyenangkan dan mudah menggambarkan prinsip fisika ini. Jika beberapa, katakanlah enam, metronom – detak pendula ritme yang digunakan guru piano – berayun tidak sinkron, dan Anda menempatkan semuanya pada platform yang bebas bergoyang bersama dengan ayunan metronom, ayunan akan disinkronkan bersamaan. .

Fase, atau arah, osilasi mereka saling berpasangan dengan memusatkan impuls mekanis komposit mereka melalui platform. Contoh khusus dari fase-kopling ini mekanis, tetapi bisa juga komputasi atau neurologis – seperti pada kecoak.

Kakinya akan dianalogikan dengan metronom yang berayun, dan aktivitas neuromuskuler sentral dianalogikan dengan platform berayun bebas. Di kecoak, tidak semua enam kaki berayun ke arah yang sama.

"Sinkronisasi mereka tidak seragam. Tiga kaki disinkronkan dalam fase satu sama lain – kaki depan dan belakang satu sisi dengan kaki tengah sisi lain – dan ketiga disinkronkan keluar dari fase dengan tiga lainnya," Kata Neveln. "Ini adalah kiprah tripod bolak-balik. Satu tripod dengan tiga kaki bergantian dengan tripod lainnya yang memiliki tiga kaki."

Pogoing tidak berguna

Dan seperti pendula, setiap ayunan kaki dapat digambarkan sebagai gelombang. Semua gelombang kaki dapat dirata-ratakan menjadi gelombang lari kecoak secara keseluruhan dan kemudian berkembang menjadi matematika yang lebih berguna yang menghubungkan sentralisasi dengan desentralisasi dan faktor-faktor seperti entropi yang dapat membuat kontrol alat gerak dilepaskan.

Prinsip dan matematika yang dihasilkan menguntungkan robot kikuk, yang memiliki sinyal desentralisasi yang kuat di motor kakinya yang bereaksi terhadap kontak kaki dengan tanah, dan kontrol terpusat lebih lemah daripada bug tongkat. Para peneliti memetakan pergerakan robot juga, tetapi mereka tidak menghasilkan kelompok gelombang yang disinkronkan dengan rapi seperti yang dimiliki oleh kecoa.

Para peneliti beralih dengan prinsip-prinsip dan matematika ke robot kikuk, yang awalnya aneh – bucking atau melompat sia-sia seperti tongkat pogo. Kemudian para ilmuwan memperkuat kontrol terpusat dengan menimbang ulang sasisnya untuk membuatnya bergerak lebih masuk akal.

"Metronom pada platform adalah kopling mekanis, dan robot kami mengoordinasikan kontrol seperti itu," kata Neveln. "Anda dapat mengubah kopling mekanis robot dengan memposisikan ulang bobotnya. Kami dapat memprediksi perubahan yang akan dilakukan dengan menggunakan ukuran yang kami kembangkan dari kecoa."

Kejutan kecoak

Para peneliti juga menyambungkan otot-otot kecoak spesifik dan neuron untuk mengamati sinkopasi mereka dengan gelombang gegas. Tujuh belas kecoak mengambil 2.982 langkah untuk menginformasikan prinsip-prinsip dan matematika, dan serangga juga menimbulkan kejutan pada para peneliti.

Salah satunya mencuat: Para ilmuwan lebih berpikir pensinyalan terpusat ketika kecoak melesat, tetapi sebaliknya, pensinyalan pusat dan lokal menguat, mungkin menggandakan pesan: Lari!

Amoolya Tiramulai dari Georgia Tech ikut menulis makalah. National Science Foundation mendanai penelitian ini (hibah # NSF CAREER MPS / PoLS 1554790).

You may also like...

Leave a Reply

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.