Springende robot springt naar recordhoogten

Een mechanische jumper, ontwikkeld door Elliot Hawkes, professor in engineering aan de Universiteit van Californië, Santa Barbara en medewerkers, is in staat om de hoogste hoogte te bereiken - ongeveer 30 meter - van alle jumpers tot nu toe, geconstrueerd of biologisch. Deze prestatie vertegenwoordigt een nieuwe benadering van het ontwerp van springtoestellen en bevordert het begrip van springen als een vorm van voortbeweging.

"De motivatie kwam van een wetenschappelijke vraag", zegt Hawkes, die als roboticus probeert de vele mogelijke methoden te begrijpen waarmee een machine door zijn omgeving kan navigeren. "We wilden begrijpen wat de limieten waren op engineered jumpers." Hoewel er eeuwenlange studies zijn over biologische springers (dat zouden wij in het dierenrijk zijn), en tientallen jaren aan onderzoek naar voornamelijk bio-geïnspireerde mechanische springers, zei hij, zijn de twee onderzoekslijnen enigszins gescheiden gehouden. "Er was niet echt een onderzoek geweest dat de twee vergelijkt en contrasteert en hoe hun grenzen verschillen - of gemanipuleerde springers echt beperkt zijn tot dezelfde wetten als biologische springers," zei hij.

Biologische systemen hebben lange tijd gediend als de eerste en beste modellen voor voortbeweging, en dat geldt met name voor springen, door de onderzoekers gedefinieerd als een "beweging gecreëerd door krachten die door de springer op de grond worden uitgeoefend, terwijl een constante massa behouden blijft." Veel geconstrueerde jumpers hebben zich gericht op het dupliceren van de ontwerpen die door evolutie zijn geleverd, en met groot succes.

Maar de elementen die een sprong in een biologisch systeem creëren, kunnen beperkend zijn voor gemanipuleerde systemen, zei Charles Xaio, een Ph.D. kandidaat in het laboratorium van Hawkes.

"Biologische systemen kunnen alleen springen met zoveel energie als ze kunnen produceren in een enkele slag van hun spier", zei Xaio. Het systeem is dus beperkt in de hoeveelheid energie die het kan geven om het lichaam van de grond te duwen, en de springer kan slechts zo hoog springen.

Voor engineered jumpers dachten de onderzoekers echter dat er een manier zou kunnen zijn om de hoeveelheid beschikbare energie te vergroten.

Ze gebruiken motoren die ratelen of roteren om veel slagen te maken, waardoor de hoeveelheid energie die ze in hun veer kunnen opslaan, wordt vermenigvuldigd. De onderzoekers noemden dit vermogen 'werkvermenigvuldiging', dat te vinden is in geconstrueerde truien in alle soorten en maten.

"Dit verschil tussen energieproductie in biologische versus gemanipuleerde springers betekent dat de twee zeer verschillende ontwerpen moeten hebben om de spronghoogte te maximaliseren," zei Xiao. Dieren zouden een kleine veer moeten hebben - alleen genoeg om de relatief kleine hoeveelheid energie op te slaan die wordt geproduceerd door hun enkele spierslag - en een grote spiermassa. Daarentegen moeten geconstrueerde jumpers een zo groot mogelijke veer en een kleine motor hebben.”

De onderzoekers namen deze inzichten en ontwierpen een springer die heel anders is dan biologische springers - de grootte van de veer ten opzichte van de motor is bijna 100x groter dan die bij dieren. Verder bedachten ze een nieuwe veer, met als doel de energieopslag per massa-eenheid te maximaliseren. In hun hybride trek-drukveer worden compressiebogen van koolstofvezel geplet terwijl elastiekjes worden uitgerekt door het trekken van een lijn die rond een motoraangedreven spil is gewikkeld. Het team ontdekte dat het verbinden van de naar buiten buigende randen van de bogen over het midden met rubber onder spanning ook de sterkte van de veer verbeterde.

"Verrassend genoeg maakt het rubber de compressieveer sterker", zei Hawkes. "Je kunt de veer verder samendrukken zonder dat hij breekt."

De jumper is ontworpen om lichtgewicht te zijn, met een minimalistisch vergrendelingsmechanisme om de energie voor de sprong vrij te geven, en ook aerodynamisch, waarbij de benen naar binnen klappen om de luchtweerstand tijdens de vlucht te minimaliseren. Al met al maken deze ontwerpkenmerken het mogelijk om in 9 milliseconden van 0 naar 60 mph te versnellen - een versnellingskracht van 315 g - en de ongeveer 30 meter hoge hoogte te bereiken in de demonstraties van de onderzoekers. Voor motoraangedreven springers is dit volgens de studie "in de buurt van de haalbare limiet van springhoogte met momenteel beschikbare materialen".

Dit ontwerp en het vermogen om de limieten van biologische ontwerpen te overschrijden, vormen de basis voor het opnieuw bedenken van springen als een efficiënte vorm van machinale voortbeweging. Springende robots kunnen plaatsen krijgen waar momenteel alleen vliegende robots komen.

De voordelen zouden nog meer uitgesproken zijn buiten de aarde. Springende robots kunnen efficiënt over de maan of planeten reizen, zonder obstakels aan de oppervlakte, terwijl ze ook toegang hebben tot functies en perspectieven die niet kunnen worden bereikt door op het terrein gebaseerde robots.

"We hebben berekend dat het apparaat 125 meter hoog zou moeten zijn terwijl het een halve kilometer vooruit springt op de maan", zei Hawkes, erop wijzend dat de zwaartekracht van de maan 1/6 is van die op aarde en dat er in principe geen luchtweerstand. "Dat zou een enorme sprong voorwaarts zijn voor gemanipuleerde springers."