Robots kunnen nog veel leren van struisvogels, zo blijkt uit onderzoek in Duitsland. Dankzij een vernuftig systeem van pezen en gewrichten kunnen loopvogels heel efficiënt hard rennen en bijna moeiteloos – letterlijk – stilstaan. Ingenieurs kunnen deze inzichten gebruiken om veel energiezuinigere robots te ontwerpen.

 

Het is aan de ene kant een koddig gezicht om een struisvogel te zien rennen. Dat grote lijf boven die pezige poten, maar hard dat-ie gaat! Het wekt verbazing dat dit opvallende dier een eigen plekje heeft bemachtigd na miljoenen jaren van evolutie.

Maar onderzoekers in de hoek van biomechanica en robotica kijken met veel belangstelling naar de poten van struisvogels en emoes. Daar is namelijk iets bijzonders mee aan de hand. Zo bijzonder dat een internationaal onderzoeksteam de poot van de loopvogels heeft nagebouwd: BirdBot, te zien op de foto boven dit artikel.

Ze schreven er een uitgebreid artikel over in vakblad Science Robotics, dat woensdag verscheen. De Ingenieur mailde met de hoofdonderzoeker en eerste auteur van het artikel, Alexander Badri-Spröwitz van het Max Planck Institute for Intelligent Systems in Stuttgart, Duitsland.

 

Wat is er zo bijzonder aan hoe loopvogels, zoals emoes en struisvogels, lopen?

‘Als ingenieur ben ik al jaren gefascineerd door de ingewikkelde, maar compacte structuren van spieren en pezen in de poten van deze grote vogels. Eerder onderzoek van mijn collega (en ooit begeleider) Monica Daley in Londen liet zien dat deze loopvogels heel robuust rennen. Dat wil zeggen, ze hebben nauwelijks last van oneffenheden of zelfs kuilen in de ondergrond, en het zenuwstelsel van het dier speelt daarbij geen rol. Mijn collega Daley vermoedde dat deze robuustheid van het rennen te danken is aan de biomechanica van de poot van de loopvogel. Dat wilden we onderzoeken en dat heeft nu geleid tot BirdBot.’

 

 

Wat heb je geleerd van het bouwen van BirdBot?

‘Om te beginnen hebben we eerst de wiskundige vergelijkingen opgesteld [van de bewegingen van de onderdelen van de poot] om meer begrip te krijgen. Daaruit volgde dat er minstens één oplossing – die uiteindelijk leidde tot BirdBot – moest zijn waarbij de poot soms fungeert als springveer en soms niet. Simpel gezegd is de poot een springveer wanneer het dier stilstaat en ontspant die springveer juist zodra de poot zwaait, tijdens rennen dus. Vervolgens hebben we de poot nagebouwd uit springveren, katrollen en kabels (BirdBod heeft maar twee elektromotoren aan boord, in de twee heupgewrichten, red.). Daarvan hebben we geleerd dat het heel precies komt om de pezen exact op de juiste lengte te maken, omdat ze anders elkaar tegenwerken.’

 

Waar is BirdBot goed in?

‘De mechanica van BirdBot werkt goed bij langzaam lopen en bij iets sneller bewegen. We hebben de overgang laten zien tussen wandelen en rennen. Inmiddels weten we dat veel sneller rennen ook mogelijk moet zijn, zonder problemen.’

 

Wat kun je als ingenieur met de inzichten die je hebt opgedaan?

Om te laten zien dat het principe van BirdBot goed
schaalbaar is, bouwden de onderzoekers ook
een grote versie.

‘De bouwers van tweebenige of vierbenige robots kunnen hun voordeel doen met ons onderzoek. Wij laten zien dat de poot van loopvogels helemaal geoptimaliseerd is op rennen en staan met weinig energieverbruik. Veel bestaande robots verbruiken bijvoorbeeld nog veel energie terwijl ze stilstaan, omdat de elektromotoren moeten tegengaan dat de robot door zijn poten zakt. BirdBot verbruikt al met al maar een kwart van de energie van bestaande robots bij stilstaan en lopen.’

‘Minstens net zo belangrijk is dat robotontwerpers kunnen leren van Birdbot hoe het been razendsnel overgaat van de zwaaimodus – los en ontspannen – naar de sta-modus, waarbij het been te belasten is. Bij bestaande robots is zo’n overgang afhankelijk van de informatie van sensoren, maar Birdbot heeft die niet nodig. En is dus ook niet gevoelig voor sensoren die soms stuk gaan of voor oneffenheden in de ondergrond, waardoor de timing van touchdown net even anders is.’

‘Alles bij elkaar denk ik dat ons onderzoek bijdraagt aan toekomstige robots die vanwege hun toepassing energiezuinig moeten zijn. Neem bijvoorbeeld robots die naar de maan of naar Mars worden gestuurd en die voor hun stroom afhankelijk zijn van zonnepanelen. Vaak hebben dat soort robots nu nog wielen, maar robots met benen kunnen beter overweg op ongelijke ondergronden en op hellingen.’

 

Beeldmateriaal DLG MPI-IS and UC Irvine