{"id":2160,"date":"2022-03-23T16:20:08","date_gmt":"2022-03-23T16:20:08","guid":{"rendered":"http:\/\/robots-argentina.com.ar\/didactica\/?p=2160"},"modified":"2022-03-23T16:27:10","modified_gmt":"2022-03-23T16:27:10","slug":"con-la-naturaleza-como-modelo-birdbot-logra-gran-eficiencia-energetica-al-caminar","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/robots-argentina.com.ar\/didactica\/con-la-naturaleza-como-modelo-birdbot-logra-gran-eficiencia-energetica-al-caminar\/","title":{"rendered":"Con la naturaleza como modelo, BirdBot logra gran eficiencia energ\u00e9tica al caminar"},"content":{"rendered":"

<\/a>Si un Tyrannosaurus Rex -que vivi\u00f3 hace 66 millones de a\u00f1os- presentaba una estructura de patas similar a la de un avestruz que hoy corre por la sabana, entonces podemos suponer que las patas de las aves resistieron la prueba del tiempo, lo que es un buen ejemplo de selecci\u00f3n evolutiva.<\/p>\n

Graciosas, elegantes, poderosas: la forma de caminar y correr de las aves no voladoras como el avestruz es una maravilla mec\u00e1nica. Los avestruces, algunos de los cuales pesan m\u00e1s de 100 kg, corren por la sabana a una velocidad de hasta 55 km\/h. Se cree que el excelente desempe\u00f1o locomotor del avestruz es posible gracias a la estructura de las patas del animal. A diferencia de los humanos, cuando las aves doblan las patas hacia atr\u00e1s levantan las patas hacia el cuerpo.<\/p>\n

\u00bfPor qu\u00e9 los animales hacen esto? \u00bfPor qu\u00e9 este patr\u00f3n de movimiento del pie es energ\u00e9ticamente eficiente para caminar y correr? \u00bfY se puede transferir la estructura de las patas del ave con todos sus huesos, m\u00fasculos y tendones a robots caminadores?
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\nAlexander Badri-Spr\u00f6witz ha dedicado m\u00e1s de cinco a\u00f1os a este tema. En el Instituto Max Planck para Sistemas Inteligentes (MPI-IS), dirige el https:\/\/dlg.is.mpg.de\/ Grupo de Locomoci\u00f3n Din\u00e1mica. Su equipo trabaja en la interfaz entre biolog\u00eda y rob\u00f3tica en el campo de la biomec\u00e1nica y el neurocontrol. El foco principal del grupo es la locomoci\u00f3n din\u00e1mica en animales y robots.<\/p>\n

Junto con su estudiante de doctorado Alborz Aghamaleki Sarvestani, Badri-Spr\u00f6witz ha construido una pata de robot que, al igual que su modelo natural, es energ\u00e9ticamente eficiente: BirdBot necesita menos motores que otras m\u00e1quinas y, en teor\u00eda, podr\u00eda ser escalado a un gran tama\u00f1o. Badri-Spr\u00f6witz, Aghamaleki Sarvestani, el especialista en rob\u00f3tica Metin Sitti, director de MPI-IS, y la profesora de biolog\u00eda Monica A. Daley de la Universidad de California, Irvine, publicaron su investigaci\u00f3n en la reconocida revista Science Robotics<\/a> el 16 de marzo de 2022.
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\nAl caminar, los humanos levantan los pies y doblan las rodillas, pero los pies y los dedos de los pies apuntan hacia delante, casi sin cambios de posici\u00f3n. Se sabe que los p\u00e1jaros son diferentes: en la fase de balanceo, doblan las patas hacia atr\u00e1s. Pero, \u00bfcu\u00e1l es la funci\u00f3n de este movimiento?<\/p>\n

Badri-Spr\u00f6witz y su equipo atribuyen este movimiento a un acoplamiento mec\u00e1nico. \u201cNo es el sistema nervioso, no son los impulsos el\u00e9ctricos, no es la actividad muscular\u201d, explica Badri-Spr\u00f6witz. \u201cPresumimos una nueva funci\u00f3n del acoplamiento pie-pata a trav\u00e9s de una red de m\u00fasculos y tendones que se extiende a trav\u00e9s de m\u00faltiples articulaciones\u201d. Estos m\u00fasculos-tend\u00f3n en varias articulaciones coordinan el giro de la pata en la fase de balanceo. En este robot, han implementado la mec\u00e1nica acoplada en la pata y el pie, lo que permite que el robot camine de manera eficiente y robusta. <\/p>\n

Los resultados de estas pruebas que demuestran el funcionamiento del mecanismo en un robot, llevan a creer que tambi\u00e9n para las aves similares se producen estos beneficios de eficiencia\u201d, explica.<\/p>\n

El acoplamiento de las articulaciones de las patas y los pies, y las fuerzas y movimientos involucrados, podr\u00edan ser la raz\u00f3n por la cual un animal grande como un avestruz no solo puede correr r\u00e1pido, sino tambi\u00e9n estar de pie sin cansarse, especulan los investigadores. Una persona que pesa m\u00e1s de 100 kg tambi\u00e9n puede estar de pie bien durante mucho tiempo, pero solo con las rodillas ‘trabadas’ en una posici\u00f3n extendida. Si la persona se agacha un poco, se vuelve extenuante despu\u00e9s de unos minutos. Al ave, sin embargo, no parece importarle la estructura de la articulaci\u00f3n de sus patas; muchas aves incluso se paran erguidas mientras duermen.<\/p>\n

La pata de un p\u00e1jaro rob\u00f3tico deber\u00eda poder hacer lo mismo: no deber\u00eda ser necesaria la potencia de un motor para sostener la estructura en pie.<\/p>\n

El robot camina en la caminadora<\/b><\/p>\n

Para probar su hip\u00f3tesis, los investigadores construyeron una pata rob\u00f3tica modelada a partir de la pata de un p\u00e1jaro no volador. Construyeron su pata de p\u00e1jaro artificial de tal modo que su pie no tiene motor, sino una articulaci\u00f3n equipada con un mecanismo de resorte y cable. El pie se acopla mec\u00e1nicamente al resto de articulaciones de la patas mediante cables y poleas.<\/p>\n

Cada pata contiene solo dos motores: el motor de la articulaci\u00f3n de la cadera, que balancea la pata hacia adelante y hacia atr\u00e1s, y un peque\u00f1o motor que flexiona la articulaci\u00f3n de la rodilla para levantar la pata.<\/p>\n

Despu\u00e9s del ensamblaje, los investigadores pusieron a BirdBot en una caminadora para observar c\u00f3mo se plegaba y desplegaba el pie del robot.
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\n\u201cLas articulaciones de los pies y las patas no necesitan activaci\u00f3n en la fase de apoyo\u201d, dice Aghamaleki Sarvestani. \u201cLos resortes impulsan estas articulaciones, y el mecanismo de resorte-tend\u00f3n en las m\u00faltiples articulaciones coordina los movimientos. Cuando la pata entra en la fase de balanceo, el pie desacopla el resorte de la pata, o resorte m\u00fasculo-tend\u00f3n, como creemos que sucede en los animales\u201d, agrega Badri-Spr\u00f6witz. Un video AQUI<\/b><\/a> muestra a BirdBot caminando en el laboratorio del grupo de investigaci\u00f3n.<\/p>\n

Cero esfuerzo al estar de pie y al flexionar la pata y la rodilla<\/b><\/p>\n

Al estar de pie, la pata no gasta nada de energ\u00eda. \u201cAntes, nuestros robots ten\u00edan que trabajar extendiendo un resorte o con un motor, ya sea cuando estaban de pie o cuando levantaban la pata, para evitar que la pata chocara contra el suelo durante el balanceo de la pata. Este gasto de energ\u00eda no es necesaria en las patas de BirdBot\u201d, dice Badri-Spr\u00f6witz y Aghamaleki Sarvestani agrega: \u201cEn general, el nuevo robot requiere solo una cuarta parte de la energ\u00eda de su predecesor\u201d.<\/p>\n

De nuevo en la cinta deslizante, el robot comienza a correr y, con cada movimiento de la pata, el pie afloja el resorte de la pata. Para levantarse, el movimiento amplio de la pata afloja el cable y las restantes articulaciones de la pata se balancean flojas. Esta transici\u00f3n de estados entre estar de pie y balancear las patas se logra en la mayor\u00eda de los robots por medio un motor en la articulaci\u00f3n. Un sensor env\u00eda una se\u00f1al a un controlador, que enciende y apaga los motores del robot.<\/p>\n

\u201cAntes, los motores se turnaban dependiendo de si la pata estaba en la fase de balanceo o de apoyo. Ahora el pie asume esta funci\u00f3n en la m\u00e1quina para caminar, cambiando mec\u00e1nicamente entre el apoyo y el balanceo. Solo necesitamos un motor en la articulaci\u00f3n de la cadera y un motor para doblar la rodilla en la fase de balanceo. Dejamos el enganche y desenganche del resorte de la patas a la mec\u00e1nica inspirada en las aves. Esto es s\u00f3lido, r\u00e1pido y de bajo consumo, dice dice Badri-Spr\u00f6witz.<\/p>\n

En varios de sus primeros estudios de biolog\u00eda, Monica Daley observ\u00f3 que la estructura de las patas del ave no solo ahorra energ\u00eda al caminar y estar de pie, sino que tambi\u00e9n est\u00e1 adaptada por la naturaleza para que el animal dif\u00edcilmente tropiece y se lastime. En experimentos con gallinas de Guinea corriendo sobre baches ocultos, cuantific\u00f3 la notable robustez de locomoci\u00f3n de las aves.<\/p>\n

El sistema tiene integrada una inteligencia morfol\u00f3gica que le permite al animal actuar con rapidez, sin tener que pensar en ello. Daley hab\u00eda demostrado que los animales controlan sus patas durante la locomoci\u00f3n no solo con la ayuda del sistema nervioso. Si un obst\u00e1culo inesperado se encuentra en el camino, no siempre es el sentido del tacto o la vista del animal el que entra en juego.<\/p>\n

\u201cLa estructura con sus m\u00fasculos-tendones de m\u00faltiples articulaciones, y su movimiento \u00fanico del pie pueden explicar por qu\u00e9 hasta las aves grandes y pesadas corren tan r\u00e1pido, con tanta fuerza y con un consumo energ\u00e9tico eficiente. Asumiendo que todo en el ave se basa en la detecci\u00f3n y la acci\u00f3n, y el animal pisa un obst\u00e1culo inesperado, no es posible que el animal pudiese reaccionar lo suficientemente r\u00e1pido. La percepci\u00f3n y la detecci\u00f3n, incluso la transmisi\u00f3n de los est\u00edmulos y la reacci\u00f3n, llevan tiempo\u201d, dice Daley.
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Sin embargo, el trabajo de 20 a\u00f1os de Daley sobre p\u00e1jaros en movimiento demuestra que los p\u00e1jaros responden m\u00e1s r\u00e1pido de lo que permite el sistema nervioso, lo que indica que en el control existen contribuciones mec\u00e1nicas. Ahora que el equipo desarroll\u00f3 BirdBot, un modelo f\u00edsico que demuestra directamente c\u00f3mo funcionan estos mecanismos, todo tiene m\u00e1s sentido: la pata se adapta mec\u00e1nicamente si hay un bache en el suelo. El cambio ocurre de inmediato y sin demora. Al igual que las aves, el robot presenta una gran robustez de locomoci\u00f3n.<\/p>\n

Ya sea en la escala de un Tyrannosaurus Rex, o una peque\u00f1a codorniz. O una pata rob\u00f3tica peque\u00f1a o grande, te\u00f3ricamente ahora se pueden implementar patas de un metro de altura para transportar robots con un peso de varias toneladas y que caminen con poca energ\u00eda.<\/p>\n

La informaci\u00f3n adquirida a trav\u00e9s de BirdBot en el desarrollo realizado en Dynamic Locomotion Group y la Universidad de California, Irvine, nos lleva a un nuevo conocimiento sobre los animales, que se adaptan a la evoluci\u00f3n. Los robots permiten poner a prueba la hip\u00f3tesis de la Biolog\u00eda, y en ocasiones confirmarlas, y as\u00ed avanzar en ambos campos.<\/p>\n

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\nArt\u00edculo original: BirdBot achieves energy-efficient gait with minimal control using avian-inspired leg clutching. Alexander Badri-Spr\u00f6witz, Alborz Aghamaleki Sarvestani, Metin Sitti y Monica A. Daley. Science Robotics, Vol 7, Issue 64. DOI: 10.1126\/scirobotics.abg4055 <\/p>\n

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