느슨하게

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 3290(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

동물들은 다양한 지형에서 튼튼하게 달립니다. 축삭 전도 속도가 초당 수십 미터로 제한되기 때문에 이러한 운동 견고성은 수수께끼입니다. 반사 루프가 상당한 지연으로 감각 정보를 전달하는 경우 감각 운동 제어에 불안정한 효과가 있을 것으로 예상됩니다. 따라서 대안적인 설명은 전송 지연의 영향을 완화하는 데 도움이 되는 낮은 수준의 적응 역학과 높은 수준의 감각운동 제어의 계층적 구조를 설명합니다. 즉각적인 반응을 유발하는 적응형 메커니즘의 개념에 영감을 받아 조정 가능한 물리적 댐퍼 시스템을 개발했습니다. 우리의 메커니즘은 물리적 댐퍼에 연결된 조정 가능한 느슨함과 힘줄을 결합합니다. 슬랙 댐퍼를 사용하면 감쇠력, 시작 타이밍, 유효 스트로크 및 에너지 소산을 조정할 수 있습니다. 우리는 개방 루프 모드에서 제어되는 다리 로봇에 장착된 슬랙 댐퍼 메커니즘을 특성화합니다. 로봇은 다양한 지형과 섭동을 수직 및 평면적으로 뛰어다닙니다. 전방 호핑 중에 여유 기반 감쇠는 더 높은 에너지 비용(27%)으로 더 빠른 섭동 복구(최대 170%)를 향상시킵니다. 조정 가능한 슬랙 메커니즘은 교란 중에 댐퍼를 자동으로 작동시켜 교란 트리거 댐핑을 유도하고 최소한의 에너지 비용으로 견고성을 향상시킵니다. 느슨한 댐퍼 메커니즘의 결과를 통해 우리는 동물의 중복 근육 힘줄을 조정 가능한 댐퍼로 기능적으로 해석하는 새로운 방법을 제안합니다.

위: 지면 교란 위를 빠르게 달리는 것은 어렵습니다. 최대 50ms의 감각운동 지연으로 인해 중추신경계는 갑작스러운 지상 교란을 인지하고 이에 반응하는 데 어려움을 겪습니다1. 대조적으로, 근골격계의 본질적인 메커니즘은 스프링 댐퍼처럼 작용합니다. 이는 환경과 접촉할 때 물리적인 반응을 일으키므로 즉각적인(< 5 ms) 반응을 일으킵니다. 우리는 다리 감쇠가 적응형 힘 생성 및 에너지 소산을 통해 지상 교란을 완화한다고 가정합니다. 힘줄의 느슨함은 관절의 움직임과 결합되어 댐퍼를 자동으로 작동시킵니다. 이는 운동의 견고성과 에너지 효율성 사이의 균형을 만듭니다. 하단: 댐퍼 느슨함은 섭동으로 인한 댐핑을 활성화합니다. 충분히 느슨해지면 댐퍼는 자세를 취하는 동안 맞물리지 않고 스프링 기반 토크만 생성됩니다. 교란이 발생하면 다리의 압축이 더욱 증가하여 모든 댐퍼 느슨함이 제거되고 댐퍼가 스프링과 평행하게 맞물립니다.

동물은 광범위한 지형에서 역동적으로 달립니다(그림 1). 자연 지형의 불균일성과 변화하는 순응성은 예상치 못한 지형 조건에 대한 빠르고 역동적인 적응 능력을 요구합니다. 그러나 동물의 신경전달 지연으로 인해 감각운동 정보 전파가 느려지고2, 동물의 크기에 따라 자세기 기간의 최대 5~40% 동안 신경 반응이 불가능해집니다1. 따라서 감각운동 정보가 지연됨에도 불구하고 동물이 어떻게 매우 역동적인 움직임을 생성하고 유지할 수 있는지는 신경과학과 바이오로봇공학의 핵심 질문입니다.

근육의 고유한 기계적 특성은 예상치 못한 교란6,7,8,9의 거부를 촉진합니다. 근육 조직은 비선형 탄성 및 점성 같은 기계적 특성을 갖고 있어 근육 힘줄 섬유의 길이 또는 수축 속도 변화에 즉시 근육 힘을 적응시킵니다. 이러한 기계적 특성을 통해 신경 근골격계는 "프리플렉스(preflex)"라고 불리는 용량인 지연 없이 외부 동요에 반응할 수 있습니다.

본질적인 탄력성과 다리 운동에서의 역할은 광범위하게 연구되었습니다. 예를 들어, 비선형 직렬 스프링처럼 동작하는 힘줄은 접지 접촉12 동안 기계적 에너지를 저장 및 방출하고 충격 내성17을 향상시킵니다. 이에 영감을 받아 다리가 있는 로봇18,19,20,21 설계에 병렬 및 직렬 탄성 액추에이터가 성공적으로 구현되어 낮은 제어 노력에서 향상된 견고성을 보여줍니다. 대조적으로, 다리 운동에서 감쇠가 수행하는 기능적 역할은 덜 연구되고 이해됩니다.