Группа ученых из Мичиганского университета и Калифорнийского университета в Сан-Диего (UCSD) провела исследование, посвященное влиянию хвоста на способность роботов и животных управлять движением в воздухе. Они выяснили, что млекопитающие уже эволюционно оптимизировали этот механизм.
Симуляции, проведенные исследователями, помогут в разработке более легких и эффективных хвостов для роботов, а также проливают свет на физические принципы, используемые животными для управления своим телом.
Два типа хвостов у позвоночных
Учёные выделили два основных типа хвостов у позвоночных: массивные, мускулистые хвосты ящериц, позволяющие вращение в одной плоскости и вдохновившие создание жесткофиксированных хвостов у роботов, а также более лёгкие, управляемые сухожилиями хвосты млекопитающих.
Против ожиданий, хвосты млекопитающих формируют сложные 3D-кривые, что позволяет более эффективно управлять движением тела. Это открытие полезно как для изучения биомеханики, так и для совершенствования робототехники.
Оптимизация механики хвоста
Жесткие хвосты, подобные хвостам ящериц, просты в конструкции, но хвосты млекопитающих могут быть легче и лучше подходить, например, для использования в космосе. Исследователи изучили, как хвосты помогают животным и роботам маневрировать в воздухе, анализируя инерционные элементы, ответственные за вращение тела.
Ранее инженеры уже создавали роботов с жесткими, одноосевыми хвостами, вдохновленными ящерицами и гекконами, для улучшения устойчивости и управляемости. Некоторые из этих хвостов помогают при посадке, корректировке полета и выполнении резких поворотов. Однако хвосты позвоночных, таких как кошки и белки, значительно сложнее по структуре, поскольку состоят из множества позвонков, обеспечивающих широкий диапазон движений.
Анализируя хвосты млекопитающих, исследователи обнаружили, что увеличение количества костных сегментов при сохранении общей длины улучшает способность к вращению. Они разработали симуляции, оптимизирующие траектории движения хвоста для точного управления телом. В отличие от предыдущих моделей, в которых хвост рассматривался как жесткая структура, новая методика учитывает деформацию и реалистичные ограничения управления.
Для обеспечения объективности исследований учёные стандартизировали параметры управления для разных типов хвостов, чтобы отличить реальное преимущество конструкции от различий в управляемости. Это позволило глубже понять принципы биологической локомоции и предложить новые идеи для разработки более адаптивных хвостов в робототехнике.
Дизайн, вдохновленный биомеханикой
В ходе исследования команда применила метод оптимизации, чтобы оценить эффективность инерционных придатков в одинаковых условиях. Их модель позволила определить оптимальные траектории движения хвоста для минимизации отклонений от заданных параметров вращения тела.
Результаты показали, что увеличение количества независимо управляемых сегментов с одинаковыми размерами и массой улучшает инерционную маневренность. Анализируя морфологию хвостов млекопитающих, исследователи обнаружили, что региональные вариации длины позвонков повышают эффективность движений.
Оптимизированные модели демонстрировали преимущества более коротких сегментов у основания и на конце хвоста, с более длинными элементами в средней части – что совпадает с особенностями хвостов животных, специализирующихся на инерционном маневрировании. Их симуляции позволяют оценивать инерционные возможности по данным скелетных структур, сравнивать различные морфологии хвостов и применять эти знания при проектировании роботов.
Чтобы исключить влияние конечностей и окружающей среды, в модели учитывалось только сохранение углового момента. Симуляции вращения туловища под воздействием хвостового движения помогли определить наиболее эффективные конфигурации для управления телом, что открывает новые перспективы как для изучения биологического движения, так и для робототехники.
«Скелеты хвостов млекопитающих значительно отличаются друг от друга, и теперь мы можем утверждать, что определённый тип хвостов эволюционировал для улучшения инерционного маневрирования. Мы с нетерпением ждем новых исследований, посвященных другим видам хвостов», — отметила доктор Кери Вебер, постдокторант и соавтор исследования.
Команда предполагает, что их симуляции можно расширить для анализа движения рук, ног или крыльев в сложных трёхмерных паттернах, что поможет лучше понять биомеханику человека и животных, а также создать более совершенные роботизированные конструкции.
Исследование было опубликовано в журнале Journal of the Royal Society Interface.
