samenvatting: Onderzoekers hebben een grote vooruitgang geboekt op het gebied van robotica door mensachtig lopen met variabele snelheid na te bootsen met behulp van een bewegingsapparaatmodel. Dit model, geleid door een reflexcontrolemethode die vergelijkbaar is met het menselijk zenuwstelsel, vergroot ons begrip van menselijke bewegingen en zet nieuwe normen voor robottechnologie.
In het onderzoek werd een innovatief algoritme gebruikt om de energie-efficiëntie bij verschillende loopsnelheden te verbeteren. Deze doorbraak maakt de weg vrij voor toekomstige innovaties op het gebied van tweevoetige robots, protheses en aangedreven exoskeletten.
Belangrijkste feiten:
- Het team van de Tohoku Universiteit heeft met succes de menselijke loopmechanica gerepliceerd in een robotmodel, dat de complexiteit van het menselijke bewegingsapparaat en zenuwstelsel weerspiegelt.
- Er is een geavanceerd algoritme ontwikkeld om de energie-efficiëntie te verbeteren, wat essentieel is voor het nabootsen van het natuurlijke lopen met variabele snelheid van mensen.
- Dit onderzoek biedt een enorm potentieel voor vooruitgang op het gebied van tweevoetige robots, protheses en aangedreven exoskeletten, waardoor de dagelijkse mobiliteit en robotica-oplossingen worden verbeterd.
bron: Tohoku-universiteit
Meestal denken we er niet over na terwijl we het doen, maar lopen is een complexe taak. Botten, gewrichten, spieren, pezen, ligamenten en andere bindweefsels (d.w.z. het bewegingsapparaat), bestuurd door ons zenuwstelsel, moeten gecoördineerd bewegen en reageren op onverwachte veranderingen of verstoringen met verschillende snelheden en op een zeer efficiënte manier. Dit repliceren in robottechnologieën is geen eenvoudige opgave.
Nu heeft een onderzoeksgroep van de Graduate School of Engineering van Tohoku University het mensachtige lopen met variabele snelheid nagebootst met behulp van een bewegingsapparaatmodel, een model dat wordt geleid door een reflexcontrolemethode die het menselijke zenuwstelsel weerspiegelt. Deze doorbraak in de biomechanica en robotica zet een nieuwe standaard voor het begrijpen van menselijke bewegingen en maakt de weg vrij voor innovatieve roboticatechnologieën.
Details van hun onderzoek werden gepubliceerd in het tijdschrift PLoS-computationele biologie Op 19 januari 2024.
“Ons onderzoek richtte zich op de complexe uitdaging van het repliceren van effectief lopen met verschillende snelheden – een hoeksteen van het menselijke loopmechanisme”, zegt universitair hoofddocent Dai Aoaki, co-auteur van het onderzoek samen met Shunsuke Koseki en professor Mitsuhiro Hayashibe.
“Deze ideeën zijn van cruciaal belang bij het verleggen van de grenzen in het begrijpen van menselijke beweging, aanpassing en efficiëntie.”
De prestatie was te danken aan een innovatief algoritme. Het algoritme evolueerde verder dan de traditionele kleinste kwadratenmethode en hielp bij het bedenken van een verbeterd neuraal circuitmodel voor het bereiken van energie-efficiëntie bij verschillende loopsnelheden.
Uitgebreide analyse van deze neurale circuits, vooral die die de spieren in de beenzwaaifase aansturen, heeft belangrijke elementen van energiezuinige loopstrategieën aan het licht gebracht. Deze ontdekkingen vergroten ons begrip van de complexe neurale netwerkmechanismen die het menselijk lopen en de efficiëntie ervan ondersteunen.
Awaki benadrukt dat de kennis die uit het onderzoek naar voren komt, zal helpen de basis te leggen voor toekomstige technologische vooruitgang.
“De succesvolle simulatie van lopen met variabele snelheden in een bewegingsapparaatmodel, gecombineerd met geavanceerde neurale circuits, vertegenwoordigt een cruciale vooruitgang in de integratie van neurowetenschappen, biomechanica en robotica. Het zal een revolutie teweegbrengen in het ontwerp en de ontwikkeling van krachtige tweevoetige robots, geavanceerde protheses en geavanceerde exoskeletten die worden aangedreven.
Dergelijke ontwikkelingen kunnen de mobiliteitsoplossingen voor personen met een handicap verbeteren en robottechnologieën die in het dagelijks leven worden gebruikt, bevorderen.
Kijkend naar de toekomst hopen Awaki en zijn team het raamwerk voor reflexcontrole verder te verbeteren om een breder scala aan menselijke loopsnelheden en bewegingen te recreëren. Ze zijn ook van plan de inzichten en algoritmen uit het onderzoek toe te passen om meer adaptieve en energiezuinige protheses, aangedreven pakken en tweevoetige robots te creëren. Dit omvat het integreren van specifieke neurale circuits in deze toepassingen om hun functionaliteit en natuurlijkheid van beweging te verbeteren.
Over dit robotica-onderzoeksnieuws
auteur: Publieke relaties
bron: Tohoku-universiteit
communicatie: Public Relations – Tohoku Universiteit
afbeelding: Afbeelding toegeschreven aan Neuroscience News
Originele zoekopdracht: Vrije toegang.
“Identificatie van sleutelfactoren voor energie-efficiënte loopcontrole over een breed scala aan snelheden in op reflexen gebaseerde bewegingsapparaatsystemen“Door Dai Aoaki et al. PLOS Computationele Biologie
een samenvatting
Identificatie van sleutelfactoren voor energie-efficiënte loopcontrole over een breed scala aan snelheden in op reflexen gebaseerde bewegingsapparaatsystemen
Mensen kunnen een breed scala aan loopsnelheden genereren en behouden en tegelijkertijd hun energie-efficiëntie verbeteren. Het begrijpen van de complexe mechanismen die het menselijk lopen bepalen, zal bijdragen aan technische toepassingen zoals energiezuinige tweevoetige robots en loophulpmiddelen. Op reflexen gebaseerde controlemechanismen, die motorische patronen genereren als reactie op sensorische feedback, zijn veelbelovend gebleken bij het genereren van mensachtige gang in musculoskeletale modellen.
Het nauwkeurig regelen van de snelheid blijft echter een grote uitdaging. Deze beperking maakt het moeilijk om reflexcircuits te identificeren die essentieel zijn voor energiezuinig lopen. Om het reflexcontrolemechanisme te verkennen en een beter begrip te krijgen van het energie-efficiënte onderhoudsmechanisme, hebben we het reflexgebaseerde controlesysteem uitgebreid om gecontroleerde loopsnelheden mogelijk te maken op basis van doelsnelheden.
We hebben een nieuwe prestatiegewogen kleinste kwadratenmethode (PWLS) ontwikkeld om een parametermodulator te ontwerpen die de loopefficiëntie verbetert terwijl de doelsnelheid behouden blijft voor een reflexgebaseerd tweevoetig systeem.
We hebben met succes loopgangen van 0,7 tot 1,6 m/s gegenereerd in een 2D-musculoskeletaal model op basis van de doelsnelheid voor invoer in de simulatieomgeving. Onze gedetailleerde analyse van de parametermodulator in een op inversie gebaseerd systeem bracht twee belangrijke inversiecircuits aan het licht die een aanzienlijke impact hebben op de energie-efficiëntie.
Bovendien werd bevestigd dat dit resultaat niet wordt beïnvloed door de instelling van de parameters, dat wil zeggen beenlengte, sensorische tijdsvertraging en gewichtscoëfficiënten in de objectieve kostenfunctie.
Deze bevindingen bieden een krachtig hulpmiddel voor het verkennen van de neurale basis van bewegingscontrole, terwijl ze de complexe mechanismen benadrukken die ten grondslag liggen aan het menselijk lopen en een groot potentieel bieden voor praktische technische toepassingen.
‘Webgeek. Wannabe-denker. Lezer. Freelance reisevangelist. Liefhebber van popcultuur. Gecertificeerde muziekwetenschapper.’
