De fysica van lopen voor meerbenige dieren en robots is eenvoudiger dan eerder werd gedacht. Dat is de bevinding beschreven door een team van robotici, natuurkundigen en biologen in het nummer van 5 september van de Proceedings of the National Academy of Sciences, in een paper getiteld "Wandelen is als glibberen:een verenigende, gegevensgestuurde kijk op voortbeweging."

"Dit is belangrijk omdat robotici hierdoor veel eenvoudigere modellen kunnen bouwen om de manier waarop robots door de wereld lopen en bewegen te beschrijven", zegt Nick Gravish, een faculteitslid van de afdeling Mechanical and Aerospace Engineering aan de University of California San Francisco. Diego.

De onderzoekers hadden eerder mierenlopen bestudeerd en wilden zien hoe hun bevindingen konden worden toegepast op robots. Daarbij ontdekten ze een nieuwe wiskundige relatie tussen lopen, springen, glijden en zwemmen in stroperige vloeistoffen voor meerbenige dieren en bots.

Het team bestudeerde verschillende kolonies Argentijnse mieren aan UC San Diego en twee verschillende soorten meerbenige robots aan de Universiteit van Michigan.

"Argentijnse mieren zijn heel gemakkelijk te bestuderen in het laboratorium", zegt medeauteur Glenna Clifton, een faculteitslid aan de Universiteit van Portland, die het grootste deel van het mierenonderzoek deed terwijl ze een postdoctoraal onderzoeker was in het laboratorium van Gravish aan de UC San Diego.

Argentijnse mieren zijn goede wandelaars die lange afstanden kunnen afleggen over verschillende terreinen. Deze mieren wennen ook gemakkelijk aan laboratoriumomgevingen en bouwen hun kolonies snel weer op. Onderzoekers kunnen ze vervolgens motiveren om te lopen door voedsel op specifieke locaties te plaatsen. "Deze mieren zullen foerageerpaden opzetten en volgen," zei Clifton. "Ze stuiteren snel terug en ze koesteren geen wrok."

Om deze verschillende dieren en robots te bestuderen, gebruikten onderzoekers een algoritme ontwikkeld door de onderzoeksgroep van Shai Revzen aan de Universiteit van Michigan, dat complexe lichaamsbewegingen omzet in vormen. "Dit algoritme stelt ons in staat om een ​​eenvoudige relatie te creëren tussen in welke houding je zit en waar je vervolgens naartoe gaat", zei Gravish.

De onderzoekers ontdekten dat dezelfde algoritmen konden worden toegepast op zowel mieren als de twee verschillende soorten robots in het onderzoek, hoewel de hoeveelheid slipbewegingen tijdens het lopen sterk verschilt. Argentijnse mieren glijden ook niet veel uit als ze lopen - slechts 4,7% van de totale beweging. Daarentegen is dat uitglijpercentage 12% tot 22% voor de zesbenige BigANT-robot en 40% tot 100% voor de multipod-robots met zes tot twaalf poten in het onderzoek, die soms kruipen.

Door dit model te gebruiken, kunnen onderzoekers voorspellen waar het insect of de robot naartoe gaat, simpelweg op basis van welke houding - of vorm - ze maken. "Dit biedt een universeel model voor locatie dat van toepassing is wanneer de beweging wordt gedomineerd door wrijving met de omgeving", schrijven de onderzoekers.

De wiskunde die de onderzoekers gebruikten is niet nieuw. Maar men dacht dat de wiskunde alleen van toepassing was op glibberen en zwemmen in stroperige vloeistoffen. Het team toonde aan dat dezelfde vergelijkingen van toepassing zijn op meerbenig lopen, of de wandelaars nu uitglijden of niet. Daarnaast gelden dezelfde regels van millimeterschaal insecten, zoals mieren, tot meterschaal robots. Een vroege versie van de papieren titel was 'lopen als een worm'.

"De universaliteit van deze benadering kan toepassingen hebben in robotontwerp en bewegingsplanning, en geeft inzicht in de evolutie en controle van beenbeweging", schrijven de onderzoekers.

Onderzoekers veronderstellen dat deze universele principes implicaties kunnen hebben voor het begrijpen van belangrijke evolutionaire overgangen, bijvoorbeeld van zwemmen naar lopen. Aangezien lopen, zelfs met uitglijden, dezelfde algemene controleprincipes volgt als viskeus zwemmen, hadden vroege landdieren mogelijk al de neurale circuits die nodig zijn voor voortbeweging op het land.

Onderzoekers hebben geen tweebenige wezens bestudeerd, maar het model zou op hen van toepassing zijn zolang ze langzaam bewegen, beide voeten tegelijkertijd op de grond hebben en niet vallen. (Foto Michael Jackson die de moonwalk doet.)

Het team moet nog meer finetunen om bijvoorbeeld de rol van wrijvingskrachten in het model te begrijpen.

"Hoe dan ook, lopen kan veel eenvoudiger zijn dan we gewoonlijk denken," zei Gravish. + Verder verkennen

Een op bever geïnspireerde methode om de bewegingen van een eenbenige zwemmende robot te begeleiden