水中的小鸟机器人。鸣谢:MPI的动态运动小组——如果生活在6600万年前的霸王龙具有与今天在热带草原上奔跑的鸵鸟相似的腿部结构，那么我们可以假设鸟类的腿经受住了时间的考验——这是进化选择的一个很好的例子。优雅、高贵、有力——像鸵鸟这样不会飞的鸟是机械奇迹。鸵鸟，其中一些体重超过100公斤，以高达55公里/小时的速度在稀树草原上奔跑。鸵鸟出色的运动表现被认为是由动物的腿部结构造成的。与人类不同，鸟类在将腿拉向身体时会将脚向后折。为什么动物会这样做？为什么这种脚的运动模式对于走路和跑步来说是节能的？鸟类的腿部结构及其所有的骨骼、肌肉和肌腱可以移植到行走机器人上吗？
亚历山大·巴德里-斯普维茨在这些问题上花了五年多时间。在马克斯·普朗克智能系统研究所(MPI-IS)，他领导着动力运动小组。他的团队致力于生物力学和神经控制领域的生物学和机器人学之间的接口。动物和机器人的动态运动是这个小组的主要关注点。
巴德里-斯普维茨和他的博士生厄尔布尔士山脉·阿加马利基·萨尔维斯塔尼一起建造了一条机器人腿，像它的自然模型一样，是节能的:BirdBot比其他机器需要更少的马达，理论上可以扩展到更大的尺寸。3月16日，巴德里-斯普维茨、阿加马利基·萨尔维斯塔尼、机器人专家梅廷·斯蒂(MPI-IS的一名主管)和加州大学欧文分校的生物学教授莫尼卡·a·戴利在著名的《科学机器人学》杂志上发表了他们的研究。
有鸟的BirdBot。鸣谢:MPI的动力运动小组——是由肌肉和肌腱组成的弹性肌腱网络
人类走路时，脚向上拉，膝盖弯曲，但脚和脚趾几乎不变地指向前方。众所周知，鸟类是不同的——在摆动阶段，它们向后折叠它们的脚。但是这个运动的作用是什么呢？巴德里-斯普维茨和他的团队将这种运动归因于机械耦合。“这不是神经系统，不是电脉冲，也不是肌肉活动，”巴德里-斯普洛维茨解释道。“我们假设了一种通过遍布多关节的肌肉和肌腱网络的脚-腿耦合的新功能”。这些多关节肌肉-肌腱在摆动阶段协调足部折叠。在我们的机器人中，我们在腿和脚中实现了耦合机制，这使得机器人能够节能和鲁棒地行走。我们在机器人身上展示这一机制的结果让我们相信，类似的效率优势也适用于鸟类，”他解释道。
研究人员推测，腿和脚关节的耦合以及相关的力和运动可能是像鸵鸟这样的大型动物不仅跑得快，而且站着也不累的原因。一个体重超过100公斤的人也可以长时间站立，但只能将膝盖“锁定”在伸展位置。如果这个人稍微蹲下，几分钟后就会变得剧烈。然而，这只鸟似乎并不介意它弯曲的腿结构；许多鸟睡觉时甚至是直立的。一只机器鸟的腿应该也能做到这一点:不需要马达来保持结构直立。
跑步机上的BirdBot。鸣谢:MPI-IS机器人动态运动小组在跑步机上行走
为了测试他们的假设，研究人员仿照不会飞的鸟的腿建造了一条机器人腿。他们制造了人造鸟腿，因此它的脚没有马达，而是一个装有弹簧和电缆机构的关节。脚通过电缆和滑轮与腿关节的其余部分机械耦合。每条腿只包含两个马达——髋关节马达，它来回摆动腿，和一个小马达，它弯曲膝关节，把腿拉起来。组装后，研究人员在跑步机上行走BirdBot，观察机器人的脚折叠和展开。“在站立阶段，脚和腿的关节不需要驱动，”Aghamaleki Sarvestani说。弹簧为这些关节提供动力，多关节弹簧-腱机构协调关节运动。巴德里-斯普维茨补充说:“当腿进入摆动阶段时，脚脱离了腿的弹簧——或者说肌肉肌腱弹簧，我们认为这在动物中会发生。”一段视频显示BirdBot在研究小组的实验室里行走。
鸟人研究概要，带说明文字。鸣谢:MPI-IS的动力运动小组。奔跑的鸵鸟版权所有:莫尼卡·戴利，RVC站立时，弯曲腿和膝盖时不费力
站立时，腿部消耗的能量为零。“以前，我们的机器人在站立或拉起腿时，必须克服弹簧或电机的作用，以防止腿在摆动时与地面碰撞。巴德里-斯普罗威茨说:“这种能量输入在鸟机器人的腿中是不必要的。”阿加马莱基·萨尔维斯塔尼补充道:“总的来说，新机器人只需要前代机器人能量的四分之一。”
跑步机现在重新打开，机器人开始跑步，随着每条腿的摆动，脚脱离腿的弹簧。要想放松，大幅度的足部运动会放松绳索，而其余的腿部关节会松弛地摆动。在大多数机器人中，站立和腿部摆动之间的这种状态转换是由关节处的马达提供的。传感器向控制器发送信号，控制器控制机器人马达的开关。“以前，电机是根据腿是处于摆动阶段还是站立阶段来切换的。现在，脚在步行机中接管了这一功能，机械地在站姿和摆动之间切换。我们在髋关节处只需要一个电机，在摆动阶段只需要一个电机来弯曲膝盖。我们把弹簧的接合和脱离留给鸟类启发的力学。巴德里-斯普罗威茨说:“这是一种坚固、快速、节能的方法。
BirdBot在跑步机上跑步的慢动作镜头。鸣谢:DLG大学和加州大学欧文分校。莫妮卡·戴利在她早期的几项生物学研究中观察到，鸟类的腿部结构不仅在行走和站立时节省能量，而且还适应了自然，因此这种动物几乎不会绊倒和受伤。在珍珠鸡跑过隐藏的坑洼的实验中，她量化了这些鸟非凡的运动能力。系统内置了形态智能，让动物无需思考就能快速行动。戴利已经证明，动物在运动过程中不仅依靠神经系统的帮助来控制它们的腿。如果路上意外出现障碍，并不总是动物的触觉或视觉起作用。
“具有多关节肌肉肌腱的结构和独特的足部运动可以解释为什么即使是沉重的大型鸟类也能跑得如此快速、强健和节能。如果我假设鸟的一切都是基于感知和行动，那么当它踩到一个意想不到的障碍物时，它可能反应不够快。戴利说:“感知和感觉，甚至刺激的传递和反应都需要时间。
然而，戴利20多年来对奔跑的鸟类的研究表明，鸟类的反应比神经系统允许的更快，这表明了机械对控制的贡献。现在团队开发了BirdBot，这是一个直接展示这些机制如何工作的物理模型，这一切都更有意义:如果地面有凸起，腿会机械地切换。切换立即发生，没有时间延迟。像鸟类一样，这种机器人具有很强的运动稳定性。
BirdBot在跑步机上跑步的镜头。鸣谢:DLG大学和加州大学欧文分校。无论是在霸王龙或小鹌鹑的规模上，还是在小型或大型机器腿的规模上。理论上，现在可以实现一米高的腿来承载几吨重的机器人，这些机器人在几乎没有动力输入的情况下四处行走。
通过动态运动小组和加州大学欧文分校开发的BirdBot获得的知识，导致了对动物的新见解，这些见解被进化所适应。机器人可以进行测试，有时还可以证实生物学的假设，并推动这两个领域的发展。
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