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Remember the “dancing pencils” trick from school, where two pencils pass through a rubber band, get twisted, and then leap apart when released? Researchers at UCLA and the University of Michigan have turned a version of that stored-tension idea into a frog-like robot that hops over grass, sand and small steps. Its limbs are not pushed slowly by a motor. They are loaded with energy and then let go in a single snap.
Ricordate il trucco delle «matite danzanti» di scuola, in cui due matite passano attraverso un elastico, vengono ritorte e poi schizzano via una volta rilasciate? I ricercatori della UCLA e dell'Università del Michigan hanno trasformato una versione di quell'idea di tensione immagazzinata in un robot a forma di rana che balza su erba, sabbia e piccoli gradini. Le sue zampe non vengono spinte lentamente da un motore. Vengono caricate di energia e poi lasciate andare in un unico scatto.
For a machine this small, the obstacles are everyday things. Grass, uneven ground, tiny puddles and loose objects can each stop a robot barely taller than they are. A jump gets it over them, but it needs a strong push delivered very quickly, and the small motors that power tiny robots deliver steady, continuous motion, not bursts. Springs can bridge that gap: a motor loads them slowly, then they release the energy at once. Snapping beams have also been tried, but in a three-dimensional structure they can flip violently or bend gradually, depending on their shape and how they are loaded.
Per una macchina così piccola, gli ostacoli sono cose di tutti i giorni. Erba, terreno irregolare, minuscole pozzanghere e oggetti sparsi possono bloccare un robot appena più alto di loro. Un salto permette di superarli, ma richiede una spinta forte e molto rapida, mentre i piccoli motori che alimentano i robot minuscoli forniscono un movimento costante e continuo, non degli impulsi. Le molle possono colmare questo divario: un motore le carica lentamente, poi rilasciano l'energia in un colpo solo. Sono state provate anche le travi a scatto, ma in una struttura tridimensionale possono ribaltarsi violentemente o piegarsi gradualmente, a seconda della forma e del modo in cui sono caricate.
The team's approach was to find out exactly what separates a sharp snap from a slow bend. They first used computer models to predict how elastic rods respond to combinations of bending and twisting, then used a robotic arm to test those predictions on physical rods. This mapped the conditions that produce a clean snap, and the robot's limbs were designed from that map. Each limb is a straight rod bent into a helix, fixed at one end and turned at the other by a small servo motor. Once the rod's current shape becomes unstable, it flips into another configuration, pushing against the ground. The motor then resets the limb, much of it while the robot is in the air. The team also had to balance force against recovery: some shapes released more energy but needed larger motor rotations between jumps, and the chosen design gives a strong push and a quick enough reset for repeated hops.
L'approccio del team è stato capire esattamente cosa distingua uno scatto netto da una lenta flessione. Hanno prima usato modelli al computer per prevedere come le barrette elastiche rispondono a combinazioni di flessione e torsione, poi hanno usato un braccio robotico per verificare quelle previsioni su barrette reali. Ne è emersa una mappa delle condizioni che producono uno scatto pulito, e le zampe del robot sono state progettate a partire da quella mappa. Ogni zampa è una barretta dritta piegata a elica, fissata a un'estremità e fatta ruotare dall'altra da un piccolo servomotore. Quando la forma attuale della barretta diventa instabile, questa si ribalta in un'altra configurazione, spingendo contro il terreno. Il motore riporta poi la zampa nella posizione iniziale, in gran parte mentre il robot è in aria. Il team ha dovuto anche bilanciare forza e recupero: alcune forme rilasciavano più energia ma richiedevano rotazioni più ampie del motore tra un salto e l'altro, e il progetto scelto offre una spinta forte e un ripristino abbastanza rapido per salti ripetuti.
In the study published in Science Advances, the team built an 11 cm (4.3 in), 98.2 g (3.5 oz) robot with two snapping rear limbs and compared it with an identical-power version fitted with rigid legs. The snapping robot was faster on every surface, reaching 3.21 body lengths per second on wood and averaging 2.46 body lengths per second across all six surfaces, against 0.79 for the rigid-legged version. The gap was widest on cloth and grass, where the rigid-legged robot nearly stalled. The prototype also climbed small steps, did repeated backflips, and, with thin flexible fins, swam at about half a body length per second and steered around obstacles, including in wind. For now it remains a research prototype: its steering was shown with remote guidance through a sandbox of rocks and with light sensors, and the team has measured its speed only against its own rigid-legged twin.
Nello studio pubblicato su Science Advances, il team ha costruito un robot di 11 cm (4,3 in) e 98,2 g (3,5 oz) con due zampe posteriori a scatto, e lo ha confrontato con una versione dotata della stessa potenza ma con gambe rigide. Il robot a scatto è stato più veloce su ogni superficie, raggiungendo 3,21 lunghezze corporee al secondo sul legno e una media di 2,46 lunghezze corporee al secondo su tutte e sei le superfici, contro 0,79 della versione a gambe rigide. Il divario era più ampio su stoffa ed erba, dove il robot a gambe rigide quasi si bloccava. Il prototipo ha inoltre superato piccoli gradini, eseguito ripetuti salti all'indietro e, con sottili pinne flessibili, nuotato a circa mezza lunghezza corporea al secondo, aggirando ostacoli anche con il vento. Per ora resta un prototipo di ricerca: la sua capacità di sterzata è stata mostrata con un controllo a distanza in una vasca di sassi e con sensori di luce, e il team ha misurato la velocità solo rispetto alla propria versione a gambe rigide.
For inspection teams and search-and-rescue crews working in debris-heavy sites, a robot that leaps over rubble rather than getting stuck could matter, and one that can also paddle through water with the same limbs widens where it can go. The researchers see a second benefit beyond navigation: the mechanics do part of the work that would otherwise need a larger motor or more complex control. Huang, one of the researchers, suggests the idea could fit a fast-closing robotic gripper. Those uses are not yet demonstrated, and they depend on the robot first proving itself against other small robots, which the study has not yet done.
Per le squadre di ispezione e i soccorritori che lavorano in siti pieni di detriti, un robot che scavalca le macerie invece di restarvi incastrato potrebbe fare la differenza, e uno che può anche nuotare con le stesse zampe amplia i luoghi in cui può arrivare. I ricercatori vedono un secondo vantaggio oltre alla navigazione: la meccanica svolge una parte del lavoro che altrimenti richiederebbe un motore più grande o un controllo più complesso. Huang, uno dei ricercatori, suggerisce che l'idea potrebbe adattarsi a una pinza robotica a chiusura rapida. Questi usi non sono ancora stati dimostrati e dipendono dal fatto che il robot dimostri prima il proprio valore rispetto ad altri piccoli robot, cosa che lo studio non ha ancora fatto.