UC Santa Barbara's 30-meter springende robot stelt nieuwe hoogterecord

Een mechanische springer ontwikkeld door University of California Santa Barbara engineering professor Elliot Hawkes en medewerkers is in staat om de hoogste hoogte te bereiken – ruwweg 100 voeten (30 meter) – van enige springer tot nu toe, ingenieursmatig of biologisch. De prestatie vertegenwoordigt een verse benadering van het ontwerp van springende apparaten en verbetert het begrip van springen als een vorm van locomotie.

"De motivatie kwam van een wetenschappelijke vraag," zei Hawkes, die als roboticist de veel mogelijke methoden voor een machine om zijn omgeving te navigeren zoekt te begrijpen. "We wilden de limieten begrijpen van ingenieursmatige springers." Terwijl er eeuwen aan studies zijn over biologische springers (dat zou ons in het dierenrijk zijn), en decennia aan onderzoek over voornamelijk bio-geïnspireerde mechanische springers, zei hij, zijn de twee lijnen van onderzoek enigszins apart gehouden. "Er was niet echt een studie die de twee vergelijkt en contrastereert en hoe hun limieten verschillen – of ingenieursmatige springers echt gelimiteerd zijn tot dezelfde wetten die biologische springers zijn," zei hij.

Biologische systemen hebben lang gedienst als de eerste en beste modellen voor locomotie, en dat is vooral waar voor springen, gedefinieerd door de onderzoekers als een "beweging gecreëerd door krachten toegepast op de grond door de springer, terwijl een constante massa behouden blijft." Veel ingenieursmatige springers hebben zich gericht op het dupliceren van de ontwerpen die door evolutie zijn gegeven, en met groot effect.

Maar de elementen die een sprong in een biologisch systeem creëren, kunnen limiterend zijn voor ingenieursmatige systemen, zei Charles Xaio, een Ph.D.-kandidaat in Hawkes' lab.

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

Voor ingenieursmatige springer dachten de onderzoekers dat er een manier zou kunnen zijn om de hoeveelheid beschikbare energie te verhogen.

Ze gebruiken motoren die klikken of roteren om veel slagen te nemen, wat de hoeveelheid energie die ze in hun veer kunnen opslaan vermenigvuldigt. De onderzoekers noemden deze capaciteit "werkvermenigvuldiging", wat te vinden is in ingenieursmatige springers van alle vormen en maten.

"Dit verschil in energieproductie in biologische versus ingenieursmatige springers betekent dat de twee zeer verschillende ontwerpen moeten hebben om sprunghoogte te maximaliseren," zei Xiao. "Dieren zouden een kleine veer moeten hebben – alleen genoeg om de relatief kleine hoeveelheid energie op te slaan die geproduceerd wordt door hun enkele spierslag – en een grote spiermassa. In tegenstelling, zouden ingenieursmatige springers zo grote een veer als mogelijk moeten hebben en een kleine motor."

De onderzoekers namen deze inzichten en ontwierpen een springer heel ongelijke biologische springers – de grootte van de veer relatief tot de motor is bijna 100x groter dan die in dieren. Verder bedachten ze een nieuwe veer, om de energieopslag per eenheid massa te maximaliseren. In hun hybride spanning-compressie-veer, worden koolstofvezel-compressiebogen ingedrukt terwijl rubberbanden worden opgerekt door het trekken van een lijn om een motor-aangedreven spindel gewikkeld. Het team vond dat het verbinden van de uitwaartse buigende randen van de bogen over het midden met rubber in spanning de veerkracht ook verbeterde.

"Verassend genoeg maakt het rubber de compressieboog-veer sterker," zei Hawkes. "Je kunt de veer verder comprimeren zonder dat het breekt."

De springer is ontworpen om lichtgewicht te zijn, met een minimalistisch klinkenmechanisme om de energie voor de sprong vrij te geven, en ook aerodynamisch, met de poten die inklappen om luchtweerstand tijdens de vlucht te minimaliseren. Samen laten deze ontwerpkenmerken het toe om van 0 naar 60 mph in 9 milliseconden te versnellen – een versnellingskracht van 315g – en de ruwweg 100-voet-hoogte in de demonstraties van de onderzoekers te bereiken. Voor motor-aangedreven springers is dit "bij de haalbare grens van sprunghoogte met momenteel beschikbare materialen," volgens de studie.

Dit ontwerp en de capaciteit om de limieten die door biologische ontwerpen gesteld worden te overstijgen, zet de basis voor het herimageren van springen als een efficiënte vorm van machinelocomotie. Springende robots zouden plekken kunnen bereiken waar nu alleen vliegende robots kunnen komen.

De voordelen zouden nog duidelijker zijn buiten de aarde. Springende robots kunnen efficiënt over de maan of planeten reizen, zonder te hoeven dealen met obstakels op het oppervlak, terwijl ze ook toegang krijgen tot features en perspectieven die niet bereikt kunnen worden door terrein-gebaseerde robots.

"We berekenden dat het apparaat in staat zou moeten zijn om 125 meter hoogte te clearen terwijl het half een kilometer vooruit springt op de maan," zei Hawkes, wijzend erop dat de maanzwaartekracht 1/6 is van die op aarde en dat er eigenlijk geen luchtweerstand is. "Dat zou een reusensprong zijn voor ingenieursmatige springers."