Слабый

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 3290 (2023) Цитировать эту статью

1712 Доступов

9 Альтметрика

Подробности о метриках

Животные уверенно бегают по разнообразной местности. Такая надежность передвижения вызывает недоумение, поскольку скорость аксонной проводимости ограничена несколькими десятками метров в секунду. Если рефлекторные петли доставляют сенсорную информацию со значительными задержками, можно было бы ожидать дестабилизирующего воздействия на сенсомоторный контроль. Следовательно, альтернативное объяснение описывает иерархическую структуру адаптивной механики низкого уровня и сенсомоторного контроля высокого уровня, которая помогает смягчить последствия задержек передачи. Руководствуясь концепцией адаптивного механизма, вызывающего немедленную реакцию, мы разработали настраиваемую физическую систему демпфирования. Наш механизм сочетает в себе сухожилие с регулируемой слабиной, соединенное с физическим демпфером. Демпфер слабины позволяет регулировать силу демпфирования, время начала, эффективный ход и рассеивание энергии. Мы характеризуем механизм демпфера слабины, установленный на ножном роботе, управляемом в режиме разомкнутого контура. Робот прыгает вертикально и плоско по изменяющейся местности и препятствиям. Во время скачка вперед демпфирование на основе слабины улучшает более быстрое восстановление возмущений (до 170%) при более высоких энергетических затратах (27%). Настраиваемый механизм замедления автоматически включает демпфер во время возмущений, что приводит к демпфированию, вызывающему возмущение, повышая надежность при минимальных энергетических затратах. Опираясь на результаты исследования механизма ослабления демпфера, мы предлагаем новую функциональную интерпретацию избыточных мышечных сухожилий животных как настраиваемых демпферов.

Вверху: быстрый бег по неровностям грунта представляет собой сложную задачу. Из-за сенсомоторной задержки до 50 мс центральная нервная система с трудом воспринимает и реагирует на внезапные возмущения земли1. Напротив, внутренняя механика опорно-двигательного аппарата действует как пружинный демпфер. Они вызывают физическую и, следовательно, немедленную (< 5 мс) реакцию при контакте с окружающей средой. Мы предполагаем, что демпфирование опор смягчает возмущения грунта за счет адаптивного производства силы и рассеивания энергии. Провисание сухожилия в сочетании с движением сустава автоматически включает демпфер. Это создает компромисс между надежностью передвижения и энергетической эффективностью. Внизу: слабина демпфера обеспечивает демпфирование, вызванное возмущениями. При достаточном ослаблении демпфер не срабатывает во время стоянки и создается только крутящий момент, основанный на пружине. При возникновении возмущения сжатие опоры увеличивается еще больше, устраняя все провисания демпфера, и демпфер срабатывает параллельно пружине.

Животные динамично бегают по широкому спектру местности (рис. 1). Неровности и изменяющаяся податливость естественной местности требуют способности быстрой и динамичной адаптации к неожиданным условиям грунта. Однако задержки нейротрансмиссии у животных замедляют распространение сенсомоторной информации2, делая невозможным реакцию нейронов на протяжении от 5 до 40% продолжительности фазы опоры, в зависимости от размера животного1. Таким образом, то, как животные способны производить и поддерживать высокодинамичные движения, несмотря на задержку сенсомоторной информации, является центральным вопросом нейробиологии и биоробототехники1,3,4,5.

Собственные механические свойства мышц облегчают отказ от неожиданных возмущений6,7,8,9. Мышечная ткань обладает нелинейными упругими и вязкоподобными механическими свойствами, которые мгновенно адаптируют мышечную силу к изменениям длины или скорости сокращения мышечно-сухожильных волокон. Эти механические свойства позволяют нервно-мышечной системе реагировать на внешние возмущения с нулевой задержкой, эта способность называется «префлекс»10,11.

Внутренняя эластичность и ее роль в передвижении ног широко изучались12,13,14,15,16. Например, сухожилия, которые ведут себя как нелинейные последовательные пружины, накапливают и высвобождают механическую энергию во время контакта с землей12 и повышают устойчивость к ударам17. Вдохновленные этим, параллельные и последовательные упругие приводы были успешно реализованы в конструкции роботов на ногах18,19,20,21, продемонстрировав повышенную надежность при небольших усилиях по управлению. Напротив, функциональная роль, которую демпфирование играет в передвижении ног, менее изучена и понята.