Ученые выяснили, что физика ходьбы многих существ проще, чем считалось

Физика ходьбы многоногих животных и роботов проще, чем считалось ранее. Об этом открытии команда робототехников, физиков и биологов рассказала в статье, опубликованной в издании Proceedings of the National Academy of Sciences.

“Это важно, потому что позволит робототехникам создавать гораздо более простые модели для описания того, как роботы ходят и передвигаются по миру”, – делится соавтор статьи Ник Гравиш, профессор кафедры механической и аэрокосмической инженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего.

Исследователи ранее изучали шагающих муравьев и хотели посмотреть, как их результаты можно применить к роботам. В процессе работы они обнаружили новую математическую связь между ходьбой, прыжками, скольжением и плаванием в вязких жидкостях для многоногих животных и ботов.

Для изучения этих различных животных и роботов специалисты использовали алгоритм, разработанный исследовательской группой Шая Ревзена в Мичиганском университете, который превращает сложные движения тела в формы.

“Этот алгоритм позволяет нам создать простую взаимосвязь между тем, в какой позе вы находитесь, и тем, куда вы собираетесь двигаться дальше”, – отмечает Гравиш.

Исследователи обнаружили, что одни и те же алгоритмы могут быть применены как к муравьям, так и к двум различным типам роботов, участвовавших в исследовании, хотя количество скользящих движений при ходьбе сильно различается. Аргентинские муравьи также мало скользят при ходьбе – всего 4,7% от общего объема движений. Для сравнения, этот процент скольжения составляет от 12% до 22% у шестиногого робота BigAnt и от 40% до 100% у шести- и двенадцатиногих многоногих роботов в исследовании, которые иногда ползают.

Используя эту модель, исследователи могут предсказать, куда насекомое или робот будут двигаться дальше, просто на основании того, какую позу – или форму – они принимают.

“Это дает универсальную модель определения местоположения, которая применима во всех случаях, когда в движении преобладает трение с окружающей средой”, – пишут исследователи.

Математика, которую использовали ученые, не нова. Но считалось, что она применима только к скольжению и плаванию в вязких жидкостях. Команда показала, что те же уравнения применимы к ходьбе на нескольких ногах, независимо от того, скользят они или нет. Кроме того, одни и те же правила применимы к насекомым размером в миллиметр, таким как муравьи, и к роботам размером в метр.

“Универсальность этого подхода может найти применение в проектировании роботов и планировании движений, а также дает представление об эволюции и управлении локомоцией на ногах”, – подчеркивают исследователи.

Они предполагают, что эти универсальные принципы могут иметь значение для понимания основных эволюционных переходов, таких как переход от плавания к ходьбе. Учитывая, что ходьба, даже при скольжении, подчиняется тем же общим принципам управления, что и вязкое плавание, ранние сухопутные животные, возможно, уже имели нейронную сеть, необходимую для передвижения по суше.