ENG: Graceful, elegant, powerful – flightless birds like the ostrich are a mechanical wonder. Ostriches, some of which weigh over 100kg, run through the savanna at up to 55km/h. The ostrich’s outstanding locomotor performance is thought to be enabled by the animal’s leg structure. Unlike humans, birds fold their feet back when pulling their legs up towards their bodies. Why do the animals do this? Why is this foot movement pattern energy-efficient for walking and running? And can the bird’s leg structure with all its bones, muscles, and tendons be transferred to walking robots? Alexander Badri-Spröwitz has spent more than five years on these questions. At the Max Planck Institute for Intelligent Systems (MPI-IS), he leads the Dynamic Locomotion Group. His team works at the interface between biology and robotics in the field of biomechanics and neurocontrol. The dynamic locomotion of animals and robots is the group’s main focus. Together with his doctoral student Alborz Aghamaleki Sarvestani, Badri-Spröwitz has constructed a robot leg that, like its natural model, is energy-efficient: BirdBot needs fewer motors than other machines and could, theoretically, scale to large size.

A person weighing over 100kg can also stand well and for a long time, but only with the knees ‘locked’ in an extended position. If the person were to squat slightly, it becomes strenuous after a few minutes. The bird, however, does not seem to mind its bent leg structure; many birds even stand upright while sleeping. The researchers built a robotic leg modeled after the leg of a flightless bird. They constructed their artificial bird leg so that its foot features no motor, but instead a joint equipped with a spring and cable mechanism. Each leg contains only two motors— the hip joints motor, which swings the leg back and forth, and a small motor that flexes the knee joint to pull the leg up. After assembly, the researchers walked BirdBot on a treadmill to observe the robot’s foot folding and unfolding. When standing, the leg expends zero energy because “the foot and leg joints don’t need actuation in the stance phase,” says Aghamaleki Sarvestani. “Springs power these joints, and the multi-joint spring-tendon mechanism coordinates joint movements. When the leg is pulled into swing phase, the foot disengages the leg’s spring – or the muscle-tendon spring, as we believe it happens in animals,” Badri-Spröwitz adds.

The treadmill is now switched back on, the robot starts running, and with each leg swing, the foot disengages the leg’s spring. To disengage, the large foot movement slacks the cable and the remaining leg joints swing loosely. This transition of states, between standing and leg swing, is provided in most robots by a motor at the joint. And a sensor sends a signal to a controller, which turns the robot’s motors on and off. “Previously, motors were switched depending on whether the leg was in the swing or stance phase. Now the foot takes over this function in the walking machine, mechanically switching between stance and swing. We only need one motor at the hip joint and one motor to bend the knee in the swing phase. We leave leg spring engagement and disengagement to the bird-inspired mechanics. This is robust, fast, and energy-efficient,” says Badri-Spröwitz.

RO: Grațioase, elegante, puternice – păsările care nu zboară, precum struțul, sunt o minune mecanică. Struții, care pot ajunge să cântărească peste 100 kg, aleargă prin savană cu până la 55 km/h. Se crede că performanța locomotorie remarcabilă a acestora este posibilă datorită structurii picioarelor. Spre deosebire de oameni, păsările își pliază picioarele înapoi atunci când le trag în sus spre corp. De ce fac acest lucru? De ce este acest model de mișcare a picioarelor eficient din punct de vedere energetic pentru mers și alergare? Și poate fi transferată structura picioarelor păsărilor, cu toate oasele, mușchii și tendoanele sale, la roboții care merg? Alexander Badri-Spröwitz a încercat să găsească răspuns acestor întrebări de peste cinci ani. La Institutul Max Planck pentru Sisteme Inteligente, el conduce Grupul de Locomoție Dinamică. Echipa sa lucrează la interfața dintre biologie și robotică în domeniul biomecanicii și al neurocontrolului. Locomoția dinamică a animalelor și a roboților este principalul obiectiv al grupului. Împreună cu studentul său doctorand Alborz Aghamaleki Sarvestani, Badri-Spröwitz a construit un picior de robot care, la fel ca modelul său natural, este eficient din punct de vedere energetic: BirdBot are nevoie de mai puține motoare decât alți roboți și ar putea, teoretic, să fie construit la dimensiuni mari.

O persoană care cântărește peste 100 kg poate, de asemenea, să stea bine în picioare și pentru o perioadă lungă de timp, dar numai cu genunchii “blocați” în poziție întinsă. Dacă persoana ar trebui să se ghemuiască ușor, acest lucru devine obositor după câteva minute. Pasărea, însă, nu pare să se supere pe structura picioarelor îndoite; multe păsări chiar dorm în picioare. Cercetătorii au construit piciorul artificial de pasăre astfel încât să nu aibă niciun motor, ci o articulație echipată cu un mecanism cu arc și cablu. Fiecare picior conține doar două motoare – motorul articulației șoldului, care balansează înainte și înapoi, și un mic motor care flexează articulația genunchiului pentru a trage piciorul în sus. După asamblare, cercetătorii au plimbat BirdBot pe o bandă de alergare pentru a observa plierea și desfășurarea robotului. Când stă în picioare, piciorul nu consumă energie deoarece “articulațiile acestuia nu au nevoie de acționare în faza de sprijin”, spune Aghamaleki Sarvestani. “Arcurile alimentează aceste articulații, iar mecanismul multiarticular cu arcuri și tendoane le coordonează mișcările. Când piciorul este tras în faza de balansare, se dezactivează resortul mușchi-tendon, așa cum credem că se întâmplă la animale”, adaugă Badri-Spröwitz.

Acum, banda de alergare este pornită din nou, robotul începe să alerge, iar la fiecare legănare piciorul dezactivează resortul. Pentru a se decupla, mișcarea mare a piciorului slăbește cablul, iar articulațiile rămase se balansează liber. Această tranziție de stări, între statul în picioare și legănare, este asigurată în majoritatea roboților de un motor la articulație. Iar un senzor trimite un semnal către un controler, care pornește și oprește motoarele robotului. “Anterior, motoarele erau comutate în funcție de faptul dacă piciorul se afla în faza de balansare sau de poziție. Acum, piciorul preia această funcție, comutând mecanic între poziția de sprijin și cea de balansare. Avem nevoie doar de un singur motor la articulația șoldului și de un motor pentru a îndoi genunchiul în faza de balansare. Lăsăm angajarea și dezangajarea arcului piciorului pentru mecanica inspirată de păsări. Acest lucru este robust, rapid și eficient din punct de vedere energetic”, spune Badri-Spröwitz.

Adapted and abridged from source (Max Planck Institute, “BirdBot is energy-efficient thanks to nature as a model”, 16.03.2022)

Paper: Alexander Badri-Spröwitz, Alborz Aghamaleki Sarvestani, Metin Sitti, Monica A. Daley. BirdBot achieves energy-efficient gait with minimal control using avian-inspired leg clutching. Science Robotics, 2022; 7 (64) DOI: 10.1126/scirobotics.abg4055