Si un Tyrannosaurus Rex que vivió hace 66 millones de años presentaba una estructura de patas similar a la de un avestruz que corre en la sabana hoy, entonces podemos suponer que las patas de las aves resistieron la prueba del tiempo, un buen ejemplo de selección evolutiva.
Graciosas, elegantes, poderosas: las aves no voladoras como el avestruz son una maravilla mecánica. Los avestruces, algunos de los cuales pesan más de 100 kg, corren por la sabana a una velocidad de hasta 55 km/h. Se cree que el excelente rendimiento locomotor de los avestruces es posible gracias a la estructura de las patas del animal. A diferencia de los humanos, las aves doblan las patas hacia atrás cuando levantan las patas hacia el cuerpo. ¿Por qué los animales hacen esto? ¿Por qué este patrón de movimiento del pie es energéticamente eficiente para caminar y correr? ¿Y se puede transferir la estructura de las patas del ave con todos sus huesos, músculos y tendones a robots andantes?
Alexander Badri-Spröwitz ha dedicado más de cinco años a estas cuestiones. En el Instituto Max Planck para Sistemas Inteligentes (MPI-IS), dirige el Grupo de Locomoción Dinámica. Su equipo trabaja en la interfaz entre biología y robótica en el campo de la biomecánica y el neurocontrol. La locomoción dinámica de animales y robots es el foco principal del grupo.
Junto con su estudiante de doctorado Alborz Aghamaleki Sarvestani, Badri-Spröwitz ha construido una pata de robot que, al igual que su modelo natural, es energéticamente eficiente: BirdBot necesita menos motores que otras máquinas y, en teoría, podría escalar a un tamaño grande. El 16 de marzo, Badri-Spröwitz, Aghamaleki Sarvestani, el especialista en robótica Metin Sitti, director de MPI-IS, y la profesora de biología Monica A. Daley de la Universidad de California, Irvine, publicaron su investigación en la revista Ciencia Robótica.
Red de resorte-tendón compatible hecha de músculos y tendones
Al caminar, los humanos levantan los pies y doblan las rodillas, pero los pies y los dedos de los pies apuntan hacia adelante casi sin cambios. Se sabe que los pájaros son diferentes: en la fase de balanceo, doblan las patas hacia atrás. Pero, ¿cuál es la función de este movimiento? Badri-Spröwitz y su equipo atribuyen este movimiento a un acoplamiento mecánico. «No es el sistema nervioso, no son los impulsos eléctricos, no es la actividad muscular», explica Badri-Spröwitz. «Presumimos una nueva función del acoplamiento pie-pierna a través de una red de músculos y tendones que se extiende a través de múltiples articulaciones». Estos músculo-tendón de múltiples articulaciones coordinan el plegado del pie en la fase de balanceo. En nuestro robot, hemos implementado la mecánica acoplada en la pierna y el pie, lo que permite que el robot camine de manera eficiente y robusta. Nuestros resultados que demuestran este mecanismo en un robot nos llevan a creer que beneficios de eficiencia similares también son válidos para las aves», explica.
El acoplamiento de las articulaciones de las piernas y los pies y las fuerzas y movimientos involucrados podrían ser la razón por la cual un animal grande como un avestruz no solo puede correr rápido sino también estar de pie sin cansarse, especulan los investigadores. Una persona que pesa más de 100 kg también puede estar de pie bien y durante mucho tiempo, pero solo con las rodillas ‘trabadas’ en una posición extendida. Si la persona se agacha un poco, se vuelve extenuante después de unos minutos. Al ave, sin embargo, no parece importarle la estructura de sus patas dobladas; muchas aves incluso se paran erguidas mientras duermen. La pata de un pájaro robótico debería poder hacer lo mismo: no debería ser necesaria la potencia de un motor para mantener la estructura en pie.
Robot camina en la caminadora
Para probar su hipótesis, los investigadores construyeron una pata robótica modelada a partir de la pata de un pájaro no volador. Construyeron su pata de pájaro artificial para que su pie no tenga motor, sino una articulación equipada con un mecanismo de resorte y cable. El pie se acopla mecánicamente al resto de articulaciones de la pierna mediante cables y poleas. Cada pierna contiene solo dos motores: el motor de las articulaciones de la cadera, que balancea la pierna hacia adelante y hacia atrás, y un pequeño motor que flexiona la articulación de la rodilla para levantar la pierna. Después del ensamblaje, los investigadores caminaron con BirdBot en una caminadora para observar cómo se plegaba y se desplegaba el pie del robot. «Las articulaciones de los pies y las piernas no necesitan actuación en la fase de apoyo», dice Aghamaleki Sarvestani. «Los resortes impulsan estas articulaciones, y el mecanismo de resorte y tendón de múltiples articulaciones coordina los movimientos de las articulaciones. Cuando la pierna entra en la fase de balanceo, el pie desacopla el resorte de la pierna, o el resorte del músculo-tendón, como creemos que sucede en los animales , añade Badri-Spröwitz.
Cero esfuerzo al estar de pie y al flexionar la pierna y la rodilla
Al estar de pie, la pierna gasta cero energía. «Anteriormente, nuestros robots tenían que trabajar contra el resorte o con un motor, ya sea cuando estaban de pie o cuando tiraban de la pierna hacia arriba, para evitar que la pierna chocara contra el suelo durante el balanceo de la pierna. Este aporte de energía no es necesario en las piernas de BirdBot», dice. Badri-Spröwitz y Aghamaleki Sarvestani agregan: «En general, el nuevo robot requiere solo una cuarta parte de la energía de su predecesor».
La cinta de correr ahora se vuelve a encender, el robot comienza a correr y, con cada movimiento de la pierna, el pie desengancha el resorte de la pierna. Para desconectarse, el gran movimiento del pie afloja el cable y las articulaciones de las piernas restantes se balancean flojas. Esta transición de estados, entre estar de pie y balancear las piernas, se proporciona en la mayoría de los robots mediante un motor en la articulación. Y un sensor envía una señal a un controlador, que enciende y apaga los motores del robot. «Anteriormente, los motores se cambiaban dependiendo de si la pierna estaba en la fase de balanceo o de apoyo. Ahora el pie asume esta función en la máquina para caminar, cambiando mecánicamente entre apoyo y balanceo. Solo necesitamos un motor en la articulación de la cadera y un motor para doblar la rodilla en la fase de balanceo. Dejamos el enganche y desenganche del resorte de la pierna a la mecánica inspirada en las aves. Esto es robusto, rápido y eficiente en energía», dice Badri-Spröwitz.
Monica Daley observó en varios de sus primeros estudios de biología que la estructura de las patas del ave no solo ahorra energía al caminar y estar de pie, sino que también está adaptada por naturaleza para que el animal difícilmente tropiece y se lastime. En experimentos con gallinas de Guinea corriendo sobre baches ocultos, cuantificó la notable robustez de locomoción de las aves. Una inteligencia morfológica está integrada en el sistema que permite que el animal actúe rápidamente, sin tener que pensar en ello. Daley había demostrado que los animales controlan sus patas durante la locomoción no solo con la ayuda del sistema nervioso. Si un obstáculo inesperado se encuentra en el camino, no siempre es el sentido del tacto o la vista del animal el que entra en juego.
«La estructura con sus músculos-tendones de múltiples articulaciones y su movimiento único del pie puede explicar por qué incluso las aves grandes y pesadas corren tan rápido, con tanta fuerza y con un consumo energético eficiente. Si asumo que todo en el ave se basa en la detección y la acción, y el animal pisa un obstáculo inesperado, es posible que el animal no pueda reaccionar lo suficientemente rápido. La percepción y la detección, incluso la transmisión de los estímulos, y la reacción cuestan tiempo», dice Daley.
Sin embargo, el trabajo de Daley sobre pájaros en movimiento durante 20 años demuestra que los pájaros responden más rápido de lo que permite el sistema nervioso, lo que indica contribuciones mecánicas al control. Ahora que el equipo desarrolló BirdBot, que es un modelo físico que demuestra directamente cómo funcionan estos mecanismos, todo tiene más sentido: la pata cambia mecánicamente si hay un bache en el suelo. El cambio ocurre inmediatamente y sin demora. Al igual que las aves, el robot presenta una gran robustez de locomoción.
Ya sea en la escala de un Tyrannosaurus Rex o una pequeña codorniz, o una pata robótica pequeña o grande. En teoría, ahora se pueden implementar patas de un metro de altura para transportar robots con un peso de varias toneladas, que caminan con poca energía.
El conocimiento adquirido a través de BirdBot desarrollado en Dynamic Locomotion Group y la Universidad de California, Irvine, conduce a nuevos conocimientos sobre los animales, que se adaptan a la evolución. Los robots permiten probar y, en ocasiones, confirmar hipótesis de la Biología y avanzar en ambos campos.
Vídeo de BirdBot: https://youtu.be/wwH40rYJt9g
