Будущие бегающие роботы могут научиться у лучших двуногих бегунов мира — птиц

Исследователи, стремясь создать более совершенных бегающих роботов, сделали неожиданные открытия об одних из самых энергоэффективных двуногих существ в природе — бегающих птицах.

Хотя птицы приспособлены в первую очередь для полета, наземные виды, которые проводят большую часть жизни на земле, оказались одними из самых совершенных бегунов среди всех двуногих наземных животных. Эти характеристики, возможно, эволюционировали со времен динозавров и, по мнению ученых, теперь превосходят способности других двуногих бегунов, включая человека.

В исследовании, опубликованном в Journal of Experimental Biology, ученые из Университета штата Орегон, Королевского ветеринарного колледжа и других институтов описывают, как бегающие птицы достигли впечатляющей способности бегать, минимизируя затраты энергии, избегая падений и травм, а также сохраняя скорость и направление.

"Птицы, по-видимому, являются лучшими из двуногих наземных бегунов, и их скорость и ловкость могут восходить к 230 миллионам лет назад, к их предкам-динозаврам", — сказал Джонатан Херст, доцент и эксперт по робототехнике.

Бегающие птицы представлены огромным диапазоном размеров — от крошечных перепелов до страуса, масса которого в 500 раз больше. Большинство из них умеют летать, но проводят большую часть жизни на земле. Их бег не всегда выглядит грациозным, но исследователи выяснили, что они максимизируют результат, четко расставляя приоритеты: экономить энергию и не сломать ногу. В дикой природе травма может привести к гибели от хищника, а экономия движения критически важна при ограниченных пищевых ресурсах.

"Этих животных не волнует, что они выглядят немного неустойчиво или их походка колеблется, — сказал Херст. — Их реальная цель — ограничить пиковые нагрузки, избежать падения, быть в безопасности и максимально эффективными. Если в результате их верхняя часть тела немного дергается — это нормально. То, чего они достигают, действительно весьма элегантно".

Еще более удивительно, что самые разные виды наземных птиц с сильно отличающимися размерами тела используют по сути одну и ту же стратегию для решения этих иногда противоречивых задач. Чтобы перепрыгнуть через препятствие на неровной поверхности, они используют движение, которое примерно на 70% представляет собой "перешагивание" при приближении к препятствию и на 30% — более сгорбленную позу на вершине препятствия.

"Эволюция создала бегающих птиц самых разных размеров и с разной структурой скелета, — сказал соавтор исследования Кристиан Хубицки. — Но мы обнаружили, что их поведение во время бега по сути одинаково".

Исследователи изучили пять видов птиц и создали компьютерную модель в лаборатории динамической робототехники OSU, которая точно воспроизводит это поведение.

"В конечном итоге мы сможем закодировать это понимание в шагающих роботов, чтобы они могли бегать с большей скоростью и ловкостью по пересеченной местности, — сказал Хубицки. — Эти идеи также могут помочь нам понять поведение при ходьбе и беге всех общих предков, включая тероподных динозавров, таких как велоцираптор".

Изначально ученые предполагали, что приоритетом будет стабильность тела, так как это помогает избежать падений и травм ног. Однако они обнаружили иное.

У бегающих птиц другое определение стабильности: они избегают падений, но при этом позволяют своему корпусу немного "болтаться", главное — не упасть. Как бегущий футболист, уворачивающийся от захватов, движение их ног может иногда ускоряться или замедляться, чтобы сохранить равновесие, преодолеть препятствия и в целом оставаться на курсе. Процесс не всегда красив, но функционален.

Крупные животные ограничены прочностью ног, так как пиковые нагрузки растут с массой тела, и они бегают на более прямых ногах, чтобы компенсировать это. Однако базовый подход, который используют крупные птицы для бега, похож на подход более мелких птиц и остается высокоэффективным.

Современные роботы, напротив, обычно создаются с упором на полную стабильность, что часто включает поддержание равномерной походки. Это может быть энергозатратно и иногда ограничивает их мобильность.

Как заявили ученые, роботы могли бы научиться у бегающих птиц тому, что можно отклоняться от нормальных, равномерных движений, потому что это не обязательно означает, что вы упадете или что-то сломаете. Подходы к управлению роботами "должны принять более свободное понятие стабильности, оптимизируя динамику на основе ключевых приоритетов задачи, без явного предпочтения устойчивой походки", — заключили исследователи.

"Бегающие роботы будущего будут выглядеть гораздо менее роботизированно, — сказал Херст. — Они будут более плавными, как биологические системы в природе. Мы не обязательно пытаемся копировать животных, но мы хотим соответствовать их возможностям".