Взгляд кошки, грация саламандры — как ящерица помогает роботам?

При создании роботов мы часто опираемся на примеры из жизни. Но откуда они берутся?

Каждый вид живности, населяющей нашу замечательную планету, обладает какой-то своей особенностью. Кто-то особенно ядовитый, чья-то фишка - крутое оперение или очень сильные челюсти. Кто-то очень маленький, а кто-то - саламандра - чемпион по сложности и эффективности перемещений. Движение как процесс принято называть локомоцией, и из-за забавной походки данной ящерицы ученые всерьез заинтересовались ею и начали усердно изучать ее. Результатами исследований японцев из университета Тохоку делимся в нашей новой статье.

Какая разница, как они бегают?

Свои навыки животные в естественной среде прокачивают с одной единственной целью - выживание, поэтому для того, чтобы становиться быстрее, выше и сильнее, им приходится сильно изворачиваться. В случае локомоции самое главное - координация всех частей тела между собой и особый алгоритм их использования каждым из бегунов.

Гепарды, например, заботятся исключительно о скорости, лошади делают упор на выносливость, а вот саламандра несется вперед без оглядки, поддерживая равновесие своего тельца с помощью хвоста.

Ну хвост, ну и что? Дело в том, что у саламандр есть несколько режимов движения, каждый из которых оказался достоин внимания. Вкратце, на невысоких скоростях, если ящерица никуда не спешит, совокупность движений ее тела напоминает механизм распространения стоячих волн. Находятся свои узлы и пучности. Когда нужно быть быстрее, движение становится похожим, как ни странно, на бегущую волну - такая походка называется походкой рысью.

Все это становится интересным с учетом того, что у ящериц, мягко говоря, не очень сложная нервная система, и она гораздо проще, чем у гепарда. Это значит то, что механизм передвижения должен быть настолько же простым, насколько и эффективным, что человечество очень любит использовать в собственных наработках.

Да, они правда это сделали

Локомоция позвоночных животных, в том числе наших сегодняшних героев, регулируется так называемыми распределенными нейронными сетями (центральными генераторами упорядоченной активности) и обратной сенсорной связью от периферических нервов. Нейронная связь между двумя этими элементами отвечает за координацию осевых движений и движений конечностей.

Чтобы заполнить пробел в знаниях о координации между собой тела и конечностей саламандр, ученые решили спроектировать подробную математическую модель локомоции, а потом на ее основе реализовывать различные симуляции.

Чтобы не потеряться в обилии ненужных терминов, дадим их расшифровки на берегу.

Рысканием называются угловые движения объекта относительно его вертикальной оси.

Крен - повороты объекты вокруг продольной оси.

Итак, саламандру представили как n-сегментное туловище, оснащенное четырьмя сегментарными лапками. Все сегменты объединяются посредством шарнирных соединений с комбинацией поворотных приводов рыскания, пассивной пружины и пассивного демпфера. Каждая лапка имеет два поворотных привода рыскания и крена, которые управляются фазовыми осцилляторами.

Датчик силы помещается на каждом кончике саламандровой стопы, узлы туловища оснащены датчиками угла и крутящего момента. Первые определяют угол отклонения данного узла туловища от головы - измерение положительно, когда узел сгибается вправо. Датчики момента определяют момент, который создается поворотными приводами в узле туловища.

На основе этих допущений строится математическое описание, состоящее из уравнений углов узлов с учетом их взаимных зависимостей. Исследуя уравнения, можно выделить некоторые важные результаты.

Величина локальной сенсорной информации помогает описать степень, в которой конкретная лапа обеспечивает поддержку тела, и показывает, насколько другие лапы способствуют достижению этой общей цели.

Взаимодействие сенсорной обратной связи от тела к конечности и от конечности к телу устанавливает взаимосвязь между лапами и туловищем, обеспечивая более длинные шаги и более мощное отталкивание от земли.

Взаимодействие лап с телом, лап между собой и сегментов тела между собой оказывается очень гармонично и изящно связанными между собой.

Чем описывать уравнения и результаты их решения проще перейти сразу к результатам трудов.

Сможет ли программа бегать как саламандра?

Симуляции-испытания представляли собой тест на ровной местности в течение 60 секунд со случайными фазами осциллирующих элементов. Размер и вес модели совпадали со средними саламандровыми значениями.

Испытания показали, что полученная модель соответствует явлению изменения модели локомоции в зависимости от скорости передвижения - от частоты осцилляции изменяются характеристики шарнирных соединений - это выражается в изменении порядка касания земли лапками.

Оказалось, модель согласуется с реальной физикой процесса очень хорошо, поэтому на ее основе целесообразно изучать особенности локомоции и других животных. Для начала решили попробовать на похожих ящерках.

Оказалось, что саламандра еще не очень заморачивалась - другие ящерицы не только используют походки в стиле стоячих и бегущих волн, но еще их и комбинируют. Кроме того, тип движения может отличаться в разных частях тела. Некоторые виды, тем не менее, могут двигаться только рысью при любой скорости.

Зачем?

Главной целью этих, на первый взгляд, странных исследований, было подтверждение гипотезы о том, что обмен сенсорной информацией, позволяющий контролировать движения тела и конечностей, играет важную роль в локомоции. Результат оказался положительным.

Полученные данные - крайне значимый ресурс для робототехники. Получена еще одна модель, на базе которой можно проектировать динамические системы, при этом она достаточно простая и позволяет добиться различных эффективных режимов работы.