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Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 3290 (2023) Citare questo articolo

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Dettagli sulle metriche

Gli animali corrono in modo robusto su terreni diversi. Questa robustezza della locomozione è sconcertante perché la velocità di conduzione degli assoni è limitata a poche decine di metri al secondo. Se i circuiti riflessi fornissero informazioni sensoriali con ritardi significativi, ci si aspetterebbe un effetto destabilizzante sul controllo sensomotorio. Quindi, una spiegazione alternativa descrive una struttura gerarchica di meccanica adattiva di basso livello e controllo sensomotorio di alto livello per aiutare a mitigare gli effetti dei ritardi di trasmissione. Motivati ​​dal concetto di un meccanismo adattivo che innesca una risposta immediata, abbiamo sviluppato un sistema di smorzamento fisico regolabile. Il nostro meccanismo combina un tendine con allentamento regolabile collegato ad un ammortizzatore fisico. Lo smorzatore del gioco consente la regolazione della forza di smorzamento, del tempo di inizio, della corsa effettiva e della dissipazione di energia. Caratterizziamo il meccanismo di smorzamento del gioco montato su un robot con gambe controllato in modalità ad anello aperto. Il robot salta verticalmente e planarmente su terreni e perturbazioni diversi. Durante il forward hopping, lo smorzamento basato sul rallentamento migliora un recupero più rapido delle perturbazioni (fino al 170%) con un costo energetico più elevato (27%). Il meccanismo di allentamento regolabile attiva automaticamente l'ammortizzatore durante le perturbazioni, determinando uno smorzamento dell'innesco delle perturbazioni, migliorando la robustezza a un costo energetico minimo. Con i risultati del meccanismo di smorzamento lento, proponiamo una nuova interpretazione funzionale dei tendini muscolari ridondanti degli animali come smorzatori regolabili.

In alto: La corsa veloce sulle perturbazioni del terreno è impegnativa. A causa di ritardi sensomotori fino a 50 ms, il sistema nervoso centrale fatica a percepire e reagire a improvvisi disturbi del terreno1. Al contrario, la meccanica intrinseca del sistema muscolo-scheletrico agisce come un ammortizzatore a molla. Producono una reazione fisica e quindi immediata (< 5 ms) a contatto con l'ambiente. Ipotizziamo che lo smorzamento della gamba mitighi il disturbo del suolo attraverso la produzione di forza adattiva e la dissipazione di energia. L'allentamento del tendine, unito al movimento dell'articolazione, impegna automaticamente l'ammortizzatore. Ciò crea un compromesso tra robustezza della locomozione ed efficienza energetica. In basso: il gioco dello smorzatore consente lo smorzamento innescato dalle perturbazioni. Sufficientemente allentato, l'ammortizzatore non si innesta durante la posizione statica e viene prodotta solo la coppia basata sulla molla. Quando si incontra una perturbazione, la compressione della gamba aumenta ulteriormente, eliminando tutto il gioco dell'ammortizzatore e l'ammortizzatore si innesta parallelamente alla molla.

Gli animali corrono dinamicamente su un'ampia gamma di terreni (Fig. 1). Le irregolarità e la mutevole conformità del terreno naturale richiedono la capacità di un adattamento rapido e dinamico alle condizioni impreviste del terreno. Tuttavia, i ritardi di neurotrasmissione degli animali rallentano la propagazione delle informazioni sensomotorie2, rendendo impossibile una risposta neuronale fino al 5-40% della durata della fase statica, a seconda delle dimensioni dell'animale1. Il modo in cui gli animali sono in grado di produrre e mantenere movimenti altamente dinamici nonostante le informazioni sensomotorie ritardate è, quindi, una questione centrale nelle neuroscienze e nella biorobotica1,3,4,5.

Le proprietà meccaniche intrinseche dei muscoli facilitano il rifiuto di perturbazioni inaspettate6,7,8,9. Il tessuto muscolare possiede proprietà meccaniche elastiche e viscose non lineari, che adattano istantaneamente la forza muscolare ai cambiamenti nella lunghezza o nella velocità di contrazione delle fibre muscolo-tendinee. Queste proprietà meccaniche consentono al sistema neuro-muscoloscheletrico di reagire alle perturbazioni esterne con ritardo zero, una capacità chiamata “preflesso”10,11.

L'elasticità intrinseca e il suo ruolo nella locomozione delle gambe sono stati ampiamente studiati12,13,14,15,16. Ad esempio, i tendini, che si comportano come molle seriali non lineari, immagazzinano e rilasciano energia meccanica durante il contatto con il suolo12 e migliorano la tolleranza agli urti17. Ispirandosi a questo, attuatori elastici paralleli e in serie sono stati implementati con successo nella progettazione di robot dotati di gambe18,19,20,21, dimostrando una maggiore robustezza con un basso sforzo di controllo. Al contrario, il ruolo funzionale svolto dallo smorzamento nella locomozione delle gambe è meno studiato e compreso.