29/11/2024
Door Liam van Koert
Mensen en dieren bewegen met opmerkelijke efficiëntie - zonder er bewust over na te denken - door gebruik te maken van de natuurlijke oscillatiepatronen van hun lichaam. Een nieuwe tool, ontwikkeld door onderzoekers van de Technische Universiteit van München (TUM), kan deze kennis nu voor het eerst benutten om robots efficiënter te laten bewegen.
Vierpotige dieren die beginnen met lopen en geleidelijk sneller gaan, vallen op een gegeven moment automatisch in een draf.
Dit komt doordat het meer energie zou kosten om het looppatroon niet aan te passen. Deze correlatie werd meer dan 40 jaar geleden ontdekt. Nu heeft Alin Albu-Schäffer, professor aan de leerstoel Sensorgebaseerde Robotsystemen en Intelligente Assistentiesystemen van de Technische Universiteit van München (TUM), deze methode met succes overgebracht naar de beweging van robots.
Intrinsieke dynamica: energie-efficiënte bewegingen
Experts gebruiken de term ‘intrinsieke dynamica’ om te beschrijven hoe mensen en dieren energiezuinige bewegingen uitvoeren. Bijvoorbeeld: ze passen de stijfheid van hun spieren aan wanneer ze op een stijver oppervlak lopen. Deze automatische, intrinsieke aanpassingen zijn echter moeilijk te identificeren bij mensen en complexe robotsystemen.
Een tool die de meest economische bewegingen identificeert
Een nieuw hulpmiddel, ontwikkeld door een team onder leiding van Prof. Albu-Schäffer, maakt dit nu mogelijk:
“Voor het eerst zijn we erin geslaagd om deze intrinsieke, uiterst efficiënte bewegingen berekenbaar te maken. De tool maakt het mogelijk om te achterhalen welke bewegingen van een systeem bijzonder energiezuinig zijn.”
Een belangrijk testobject in het onderzoek van het team is BERT, een vierpotige robot die eruitziet als een kleine hond. BERT is ontworpen door Prof. Albu-Schäffer aan het Duitse Lucht- en Ruimtevaartcentrum (DLR). Het onderzoek, gericht op "efficiënte en veelzijdige bewegingen met benen", wordt gefinancierd door de EU via een ERC Advanced Grant.
De onderzoekers identificeerden zes bewegingspatronen voor BERT, die volgens Prof. Albu-Schäffer uitzonderlijk moeiteloos zijn en in een wereld zonder wrijving geen energie zouden vereisen. Sommige patronen komen overeen met bekende gangen van viervoeters, zoals lopen, draven of springen.
“We hebben daarmee de hypothese bevestigd dat efficiënte looppatronen kunnen worden gerealiseerd door natuurlijke oscillatiepatronen te benutten,” legt Prof. Albu-Schäffer uit, die ook betrokken is bij het Munich Institute of Robotics and Machine Intelligence (MIRMI).
Natuurlijke oscillaties benutten met perfecte timing
Om deze bewegingen in een systeem met wrijving te realiseren, is een computergestuurde regelaar toegevoegd die op het juiste moment een impuls geeft.
“Je kunt het vergelijken met een kind dat op een schommel zit en op het hoogste punt een energie-impuls krijgt van de ouder die duwt,” legt Annika Schmidt uit, lid van het onderzoeksteam van Prof. Albu-Schäffer.
Met één verschil: “Mensen hebben geen ingewikkelde formules in hun hoofd nodig om hun duw precies te timen - ze doen het intuïtief,” zegt de promovenda, die al jaren onderzoekt hoe robots het juiste ritme kunnen leren.
Succes aangetoond in een race
Het succes van de methode wordt aangetoond in een race tussen drie BERT-modellen. De robot, die geprogrammeerd is met de intrinsieke bewegingsmethode, neigt te springen en beweegt veel sneller en dynamischer dan zijn broertjes, die vertrouwen op meer conventionele bewegingspatronen.
Foto: Andreas Heddergot (TUM)