01.08.2021 08:35
maybe_elf 5 4700 Источник

Исследователи из Университета Тохоку и Швейцарского федерального технологического института в Лозанне при поддержке Human Frontier Science Program расшифровали механизмы, лежащие в основе ходьбы саламандры.

Саламандра
Саламандра

Они опубликовали результаты своего исследования в журнале Frontiers in Neurorobotics.

Модель тела саламандры. Туловище имеет n - 1 задействованную степень свободы (DoFs), а θbj обозначает угол j-й DoF от головы. Передние и задние лапы прикреплены с обеих сторон от k-го и l-го сегментов соответственно (на рисунке n = 11, k = 3 и l = 7). Каждая ножка имеет две степени свободы, управляемые фазовыми генераторами. Нижний индекс i обозначает идентификатор ноги: (1, левая передняя; 2, правая передняя; 3, левая задняя; и 4, правая задняя), а θyi и θri - углы суставов ног в направлениях рыскания и крена соответственно. Кружок вокруг правой передней ноги показывает траекторию ноги на основе фазы осциллятора ϕi. Переменные mJ, mL и mF - это массы каждого сустава, звена и стопы соответственно.
Модель тела саламандры. Туловище имеет n - 1 задействованную степень свободы (DoFs), а θbj обозначает угол j-й DoF от головы. Передние и задние лапы прикреплены с обеих сторон от k-го и l-го сегментов соответственно (на рисунке n = 11, k = 3 и l = 7). Каждая ножка имеет две степени свободы, управляемые фазовыми генераторами. Нижний индекс i обозначает идентификатор ноги: (1, левая передняя; 2, правая передняя; 3, левая задняя; и 4, правая задняя), а θyi и θri - углы суставов ног в направлениях рыскания и крена соответственно. Кружок вокруг правой передней ноги показывает траекторию ноги на основе фазы осциллятора ϕi. Переменные mJ, mL и mF - это массы каждого сустава, звена и стопы соответственно.

Исследователи отмечают, что четвероногие животные могут перемещаться по сложной и непредсказуемой среде. Они назвали саламандру отличным образцом для изучения механизмов координации тела и конечностей. Ученые указывают на то, что это амфибия, которая ходит, раскачиваясь слева направо в волнообразном движении. При этом нервная система саламандры проще, чем у млекопитающих, и она меняет свою походку в зависимости от скорости движения.

Настройка сети обратной связи. Кружки и треугольники обозначают контроллеры и датчики соответственно. Контроллер каждой ноги имеет один фазовый генератор. Стрелки показывают четыре типа сенсорной обратной связи; синий цвет указывает на обратную связь по силе от конечности к конечности и от конечности к телу, оранжевый указывает на обратную связь по крутящему моменту от тела к конечности, а серый указывает на обратную связь по углу от тела к телу.
Настройка сети обратной связи. Кружки и треугольники обозначают контроллеры и датчики соответственно. Контроллер каждой ноги имеет один фазовый генератор. Стрелки показывают четыре типа сенсорной обратной связи; синий цвет указывает на обратную связь по силе от конечности к конечности и от конечности к телу, оранжевый указывает на обратную связь по крутящему моменту от тела к конечности, а серый указывает на обратную связь по углу от тела к телу.

Чтобы расшифровать движение саламандры, исследователи под руководством профессора Акио Исигуро из Исследовательского института электрических коммуникаций Университета Тохоку смоделировали ее нервную систему математически, а затем создали физическую модель.

Схема сенсорной обратной связи тело-конечность. (A) Схема модели робота-саламандры сверху. Квадратная область вокруг передних ног указывает на ту часть тела, которая проиллюстрирована (B, C) для объяснения эффекта обратной связи. (B) Механизм сенсорной обратной связи между телом и конечностями: (i) k-й исполнительный механизм туловища сгибает тело вправо (τbk> 0) и (ii) k-й исполнительный механизм туловища сгибает тело влево (τbk <0). Когда k-й исполнительный механизм туловища сгибает тело вправо, фаза осциллятора левой передней ноги модулируется в сторону π / 2 (качание), а фаза осциллятора правой передней ноги модулируется в сторону 3π / 2 (положение), и наоборот. . (C) Механизм сенсорной обратной связи от конечностей к телу: (i) правая передняя нога находится на земле (N2> 0) и (ii) левая передняя нога находится на земле (N1> 0).
Схема сенсорной обратной связи тело-конечность. (A) Схема модели робота-саламандры сверху. Квадратная область вокруг передних ног указывает на ту часть тела, которая проиллюстрирована (B, C) для объяснения эффекта обратной связи. (B) Механизм сенсорной обратной связи между телом и конечностями: (i) k-й исполнительный механизм туловища сгибает тело вправо (τbk> 0) и (ii) k-й исполнительный механизм туловища сгибает тело влево (τbk <0). Когда k-й исполнительный механизм туловища сгибает тело вправо, фаза осциллятора левой передней ноги модулируется в сторону π / 2 (качание), а фаза осциллятора правой передней ноги модулируется в сторону 3π / 2 (положение), и наоборот. . (C) Механизм сенсорной обратной связи от конечностей к телу: (i) правая передняя нога находится на земле (N2> 0) и (ii) левая передняя нога находится на земле (N1> 0).

Создавая модель, исследователи выдвинули гипотезу, что ноги и тело саламандры контролируются для поддержки других движений путем обмена сенсорной информацией. Затем они воспроизвели зависимые от скорости изменения походки амфибии с помощью компьютерного моделирования. 

«Мы надеемся, что это открытие дает представление о важном механизме, лежащем в основе адаптивного и универсального передвижения животных», - сказал Исигуро.

Исследователи уверены, что их модель поможет в разработке роботов, которые будут двигаться с высокой маневренностью и станут адаптируемыми за счет гибкого изменения моделей координации тела и конечностей.

Ранее робот Cassie, которого изобрели ученые Университета штата Орегон и выпустила дочерняя компания Agility Robotics, смог пробежать 5 километров чуть более чем за 53 минуты. Это первый двуногий робот, который использовал машинное обучение для бега на открытой местности. Ему удалось завершить путь в 5 км на одной зарядке аккумулятора.

Комментарии (5)


  1. Serge78rus
    01.08.2021 12:22
    #23322582
    +6

    Если бы саламандра прочитала эту статью, то она офигела бы от сложности своей биомеханики и полностью разучилась бы ходить.


    1. KirovA
      01.08.2021 12:52
      #23322626
      +2

      Это уже было не в Симпсонах.))


    1. Goupil
      02.08.2021 00:39
      #23325050
      +2

      Если подумать то биомеханика там - сплошное легаси, идущее еще от первых хордовых. Изгиб тела при движении как у рыб, бесчелюстных рыб и даже ланцетников, с простыми и консервативными рефлекторными дугами. Похожая программа в спином мозге, но неактивная, есть и у нас, но она подавлена моторной корой головного мозга.


  1. nickolas059
    01.08.2021 19:22
    #23323784
    +1

    Час от часу не легче. Теперь точно не убежать


  1. Daddy_Cool
    02.08.2021 00:49
    #23325088

    Я так понимаю, она ходит не за счет ног. Одна нога становится осью, и за счет тела вокруг неё делается поворот, т.о. можно иметь очень примитивные ноги.