maxon Story

Een fossiel als vriend

melo_robot-1bf7b0c1melo_robot-1bf7b0c1

Een robot met poten laten lopen is niet zo eenvoudig als het lijkt. Er is geavanceerde techniek en zorgvuldige observatie van bewegende dieren voor nodig als je de bewegingen van al zijn gewrichten zo op elkaar wilt afstemmen dat deze dicht bij die van echte dieren liggen en soepel verlopen. Maar wat als we niet precies weten hoe het dier eruit ziet of beweegt, omdat het al 300 miljoen jaar is uitgestorven?

Dit is het verhaal van Orobates Pabsti, een vroege viervoeter die miljoenen jaren voor de dinosauriërs leefde. Zijn gefossiliseerde skelet werd in 2004 in Duitsland gevonden. De versteende botten verkeerden in uitstekende staat en waren vrijwel volledig gearticuleerd, bovendien werden in de regio fossiele voetafdrukken gevonden. Hierdoor waren ingenieurs (waaronder ikzelf) van het Biorobotica-laboratorium van de EPFL in samenwerking met Tomislav Horvat en Auke IJspeert en een groot team biologen (onder leiding van John Nyakatura van de Humboldt Universiteit van Berlijn) in staat om de voortbeweging te reconstrueren bij een robot.


Maar waarom is de voortbeweging van Orobates zo belangrijk? Aan Orobates kunnen we goed zien hoe gewervelde landdieren (waaronder mensen zoals wij) zijn geëvolueerd. Deze dieren vertegenwoordigen de overgang van een amfibische levenswijze naar gewervelde landdieren die eieren op het land kunnen leggen. Dit plaatst hen in de evolutionaire boomstructuur tussen de amfibieën en meer geëvolueerde dieren, zoals reptielen, vogels en zoogdieren. Of Orobates al dan niet op het land kon lopen lijkt cruciaal. Het is absoluut nodig om dit te onderzoeken. Bijvoorbeeld om licht te werpen op vragen zoals wanneer de dieren aan land gingen en daar begonnen te leven. Locomotie-experimenten met levende dieren zijn al lastig, maar met een uitgestorven dier zijn deze in feite onmogelijk. We moesten een manier zien te vinden om de locomotie van Orobates objectief te kunnen reconstrueren. We dachten dat computersimulatie hiervoor een goed hulpmiddel was, maar de voortbeweging van de poten is moeilijk te simuleren. Voor de intermitterende schokken van de poten met de grond, de contactwrijving en de algemene dynamiek van het bewegende lichaam van Orobates was een verificatie in de echte wereld nodig. Daarom hebben we het fossiel van Orobates gereconstrueerd met behulp van een fysieke robot. Deze robot was een bijna tweemaal zo grote versie van het fossiel. De massaverdeling en andere dynamisch relevante parameters, zoals de snelheid waarmee de robot moest bewegen, werden grondig bestudeerd zodat alles zowel biologisch als technisch gezien relevant was.

“Om soepel te kunnen bewegen, stuurt de boordcomputer van de robot ongeveer 100 keer per seconde commando’s naar de motoren.”


Met deze robot konden we een aantal mogelijke loopbewegingen testen die Orobates vermoedelijk uitvoerde toen hij nog leefde. We hebben ook andere moderne dieren geobserveerd waarvan de morfologie op die van Orobates lijkt, zoals een salamander, een kaaiman, een leguaan en een skink. We kwamen erachter dat hun loopbewegingen verschillen op grond van hun lichaamslengte, het bewegingsbereik van de wervelkolom en hun beenrotaties bij het zwaaien. Deze kenmerken creëren een ruimte waarin de gegevens van de levende dieren met de mogelijke loopbewegingen van de robot vergeleken kunnen worden. We hebben een aantal loopbewegingen in deze ruimte getest in een poging om de meest stabiele, energetisch efficiënte loopbeweging te vinden, waarbij gebruikgemaakt werd van krachtpatronen die op die van de levende dieren lijken en waarvan de precisie bij het matchen van de voetafdrukken hoog is. We ontdekten dat de meest waarschijnlijke loopbewegingen van Orobates sterk op die van de kaaiman leken. Deze ontdekking suggereert eigenlijk dat hun manier van lopen nogal geavanceerd was, vergeleken met wat men eerder dacht van deze vroege viervoeters.

Veldtest in Afrika


Het testen met de robot was ook een geweldige ervaring. De robot zag er levend uit. Om deze machine te besturen was het nodig om problemen met inverse kinematica en dynamica op te lossen, zodat we de beweging van de benen en de ruggengraat konden coördineren. Om soepel te kunnen bewegen stuurt de boordcomputer van de robot ongeveer 100 keer per seconde commando’s naar de motoren. De actuatoren worden aangedreven door een krachtige en efficiënte gelijkstroommotor van maxon. We hebben 28 actuatoren gebruikt, vijf per been en acht in de ruggengraat. Het is zelden gebeurd dat een robot, die zo complex is en qua beweging zo op een echt dier lijkt, werd bestuurd om al deze uiteenlopende bewegingen uit te voeren.


Om de robot Orobates te maken hebben we teruggegrepen op onze ervaring met het ontwerp en de besturing van ‘sprawling robots’. Na ons wetenschappelijk onderzoek over salamanderrobot Pleurobot (zie Driven magazine in 2018), hebben we ons ook laten inspireren door de loopbewegingen en morfologieën van nijlkrokodillen en varanen. Zo konden we twee van zulke robots bouwen en testen. We hebben voor het filmen van wildlife-documentaires in Afrika met de BBC samengewerkt. In de tv-serie Spy in the Wild zijn onze robots te zien, omringd door wilde dieren aan de oevers van de Nijl. Deze robots overleefden twee intense weken van filmen onder extreme omstandigheden. Bovendien verschaften ze ons nieuwe inzichten over de ontwerpeisen voor complexe praktijksituaties. Dergelijke situaties gelden ook voor de K-Rock-robots die voor rampgebieden zijn bedoeld. Ze kunnen onder nauwe doorgangen bewegen en omdat ze amfibisch zijn, kunnen ze zwemmen en lopen in ondergelopen gebieden vol puin en obstakels.


De ontwikkeling van deze robots, eerst met het Biorobotics Laboratory van de EPFL en nu in mijn privébedrijf KM-RoBoTa (onderdeel van het YEP-programma van maxon, en een van de start-ups in het maxon Innovation Lab in Lausanne), legt de lat hoog voor robuust ontworpen dierachtige robots die op echte dieren zijn geïnspireerd en waarvan de mobiliteitscapaciteiten een groot potentieel hebben voor wetenschappelijke of technische toepassingen.

Actuatoren van de toekomst


Dergelijke vooruitgangen in de robotica zetten ons aan het denken over de actuatormechanismen die we momenteel gebruiken. Met de huidige technologie kunnen we een hoge snelheid halen, maar door de massatraagheid is het lastig om snel en efficiënt te bewegen, waardoor schokken, explosieve bewegingen en dergelijke kunnen ontstaan. Bovendien worden overbrengingen gebruikt om het koppel te verhogen. Deze beïnvloeden echter de controle over de beweging als gevolg van inertie en wrijving, waardoor de bandbreedte van de actuator afneemt. Nieuwe ontwikkelingen voor betere actuatoren op verschillende schaal, van soft robotica tot en met krachtige proprioceptieve actuatoren, gaan vaak gepaard met omvangrijke perifere systemen die de vermogens- en koppeldichtheid verminderen, of een grote vermogensbehoefte die de dissipatievereisten overstijgt.


Stap voor stap ontwerpen we betere actuatortechnologie. Maar een robot die exact dezelfde vaardigheden als een dier heeft? Zover zijn we nog lang niet. Tenminste als je kijkt naar waartoe de dierlijke spieren in staat zijn. Er is in het volgende decennium nog een lange, maar spannende weg te gaan voor onderzoek en ontwikkeling van actuatortechnologie en robotica.


Door Kamilo Melo

Literatuur


John A. Nyakatura*, Kamilo Melo*, Tomislav Horvat*, Kostas Karakasiliotis, Vivian R. Allen, Amir Andikfar, Emanuel Andrada, Patrick Arnold, Jonas Lauströer, John R. Hutchinson, Martin S. Fischer en Auke J. IJspeert. Reverse-engineering the locomotion of a stem amniote. Nature 565, 351–355; 2019. *Gelijke auteursbijdragen.


DOI: 10.1038/s41586-018-0851-2

De auteur, Kamilo Melo, groeide op in Duitama en Bogotá (Colombia) en woont nu in Renens in het kanton Vaud (Zwitserland). Hij studeerde elektrotechniek en werktuigbouwkunde en promoveerde in de robotica. Na als postdoc aan de EPFL in Lausanne te hebben gewerkt, verricht hij tegenwoordig werkzaamheden en onderzoek voor zijn eigen roboticabedrijf KM-RoBoTa.

Auteur: Kamilo Melo

© by © maxon motor ag