streszczenie: Naukowcy poczynili ogromne postępy w robotyce, odtwarzając chodzenie ze zmienną prędkością na wzór człowieka, korzystając z modelu układu mięśniowo-szkieletowego. Model ten, oparty na metodzie kontroli odruchów podobnej do ludzkiego układu nerwowego, pogłębia naszą wiedzę na temat ruchu człowieka i wyznacza nowe standardy w technologii robotycznej.
W badaniu wykorzystano innowacyjny algorytm w celu poprawy efektywności energetycznej przy różnych prędkościach chodzenia. Ten przełom toruje drogę przyszłym innowacjom w dziedzinie robotów dwunożnych, protez i egzoszkieletów napędzanych.
Kluczowe fakty:
- Zespołowi z Uniwersytetu Tohoku udało się odtworzyć mechanikę chodu człowieka w modelu robota, odzwierciedlając złożoność ludzkiego układu mięśniowo-szkieletowego i nerwowego.
- Opracowano zaawansowany algorytm w celu poprawy efektywności energetycznej, która jest niezbędna do odtworzenia naturalnego chodu człowieka ze zmienną prędkością.
- Badania te niosą ogromny potencjał w zakresie udoskonalenia robotów dwunożnych, protez i egzoszkieletów napędzanych, poprawiając codzienną mobilność i rozwiązania w zakresie robotyki.
źródło: Uniwersytet Tohoku
Zwykle nie myślimy o tym, kiedy to robimy, ale chodzenie jest złożonym zadaniem. Kości, stawy, mięśnie, ścięgna, więzadła i inne tkanki łączne (tj. układ mięśniowo-szkieletowy), kontrolowane przez nasz układ nerwowy, muszą poruszać się w koordynacji i reagować na nieoczekiwane zmiany lub zakłócenia z różną szybkością i w wysoce efektywny sposób. Powielenie tego w technologiach robotycznych nie jest łatwym zadaniem.
Teraz grupa badawcza z Graduate School of Engineering na Uniwersytecie Tohoku odtworzyła chód ze zmienną prędkością przypominającą człowieka, korzystając z modelu układu mięśniowo-szkieletowego, który opiera się na metodzie kontroli odruchów odzwierciedlającej ludzki układ nerwowy. Ten przełom w biomechanice i robotyce wyznacza nowy standard w zrozumieniu ruchu człowieka i toruje drogę innowacyjnym technologiom robotyki.
Szczegóły ich badania opublikowano w czasopiśmie Biologia obliczeniowa PLoS W dniu 19 stycznia 2024 r.
„Nasze badanie dotyczyło złożonego wyzwania, jakim jest odtworzenie efektywnego chodu z różnymi prędkościami – kamienia węgielnego mechanizmu chodzenia człowieka” – mówi profesor nadzwyczajny Dai Aoaki, współautor badania wraz z Shunsuke Koseki i profesorem Mitsuhiro Hayashibe.
„Te idee mają kluczowe znaczenie w przesuwaniu granic w zrozumieniu ludzkiego ruchu, adaptacji i wydajności”.
Osiągnięcie to było możliwe dzięki innowacyjnemu algorytmowi. Algorytm wyszedł poza tradycyjną metodę najmniejszych kwadratów i pomógł w opracowaniu ulepszonego modelu obwodu neuronowego umożliwiającego osiągnięcie efektywności energetycznej przy różnych prędkościach chodzenia.
Dokładna analiza tych obwodów nerwowych, szczególnie tych kontrolujących mięśnie w fazie machania nogami, ujawniła ważne elementy energooszczędnych strategii chodzenia. Odkrycia te pogłębiają naszą wiedzę na temat złożonych mechanizmów sieci neuronowych, które wspierają ludzki chód i jego wydajność.
Awaki podkreśla, że wiedza ujawniona w badaniu pomoże położyć podwaliny pod przyszły postęp technologiczny.
„Udana symulacja chodzenia ze zmienną prędkością w modelu układu mięśniowo-szkieletowego w połączeniu z wyrafinowanymi obwodami neuronowymi stanowi kluczowy postęp w integracji neuronauki, biomechaniki i robotyki. Zrewolucjonizuje projektowanie i rozwój wysokowydajnych robotów dwunożnych, zaawansowanych protezy i zaawansowane egzoszkielety, które zasilają.
Takie zmiany mogą ulepszyć rozwiązania w zakresie mobilności dla osób niepełnosprawnych i udoskonalić technologie robotyczne stosowane w życiu codziennym.
Patrząc w przyszłość, Awaki i jego zespół mają nadzieję na dalsze udoskonalanie ram kontroli odruchów, aby odtworzyć szerszy zakres prędkości i ruchów chodu człowieka. Planują także zastosować wnioski i algorytmy uzyskane w badaniu do stworzenia bardziej adaptacyjnych i energooszczędnych protez, kombinezonów z napędem i robotów dwunożnych. Wiąże się to z integracją określonych obwodów neuronowych z tymi aplikacjami w celu zwiększenia ich funkcjonalności i naturalności ruchu.
O tej wiadomości o badaniach nad robotyką
autor: Public relations
źródło: Uniwersytet Tohoku
Komunikacja: Public Relations – Uniwersytet Tohoku
zdjęcie: Zdjęcie przypisane Neuroscience News
Oryginalne wyszukiwanie: Otwarty dostęp.
„Identyfikacja kluczowych czynników zapewniających energooszczędną kontrolę chodu w szerokim zakresie prędkości w układach mięśniowo-szkieletowych opartych na odruchach„Przez Dai Aoaki i in. Biologia obliczeniowa PLOS
podsumowanie
Identyfikacja kluczowych czynników zapewniających energooszczędną kontrolę chodu w szerokim zakresie prędkości w układach mięśniowo-szkieletowych opartych na odruchach
Ludzie mogą generować i utrzymywać szeroki zakres prędkości chodzenia, jednocześnie poprawiając swoją efektywność energetyczną. Zrozumienie złożonych mechanizmów rządzących chodzeniem człowieka przyczyni się do zastosowań inżynieryjnych, takich jak energooszczędne roboty dwunożne i urządzenia wspomagające chodzenie. Mechanizmy kontroli oparte na odruchach, które generują wzorce motoryczne w odpowiedzi na sensoryczne informacje zwrotne, okazały się obiecujące w zakresie generowania chodu podobnego do ludzkiego w modelach układu mięśniowo-szkieletowego.
Jednakże precyzyjna regulacja prędkości pozostaje poważnym wyzwaniem. To ograniczenie utrudnia identyfikację obwodów odruchowych niezbędnych do energooszczędnego chodzenia. Aby zbadać mechanizm kontroli odruchowej i lepiej zrozumieć energooszczędny mechanizm konserwacji, rozszerzyliśmy system kontroli oparty na odruchach, aby umożliwić kontrolowanie prędkości chodzenia w oparciu o prędkości docelowe.
Opracowaliśmy nowatorską metodę najmniejszych kwadratów ważonych wydajnością (PWLS), aby zaprojektować modulator parametrów, który poprawia wydajność chodzenia przy jednoczesnym zachowaniu docelowej prędkości dla systemu dwunożnego opartego na odruchu.
Udało nam się wygenerować chód w zakresie od 0,7 do 1,6 m/s w dwuwymiarowym modelu układu mięśniowo-szkieletowego w oparciu o prędkość docelową, który można wprowadzić do środowiska symulacyjnego. Nasza szczegółowa analiza modulatora parametrów w systemie opartym na inwersji ujawniła dwa główne obwody inwersyjne, które mają znaczący wpływ na efektywność energetyczną.
Ponadto potwierdzono, że na wynik ten nie wpływa ustawienie parametrów, tj. długości nogi, opóźnienia czasowego sensorycznego oraz współczynników wagowych w obiektywnej funkcji kosztu.
Odkrycia te stanowią potężne narzędzie do badania neuronalnych podstaw kontroli ruchu, podkreślając jednocześnie złożone mechanizmy leżące u podstaw chodzenia człowieka i kryjąc ogromny potencjał w praktycznych zastosowaniach inżynieryjnych.
