점프 로봇, 기록적인 높이로 도약

캘리포니아 대학교 산타바바라 공학 교수인 엘리엇 혹스(Elliot Hawkes)와 협력자들이 개발한 기계식 점퍼는 공학적으로든 생물학적으로든 지금까지 나온 모든 점퍼 중 가장 높은 높이(약 30미터)를 달성할 수 있습니다. 이 위업은 점프 장치의 디자인에 대한 새로운 접근 방식을 나타내며 점프에 대한 이해를 운동의 한 형태로 발전시킵니다.

로봇 공학자로서 기계가 환경을 탐색할 수 있는 다양한 방법을 이해하려고 하는 Hawkes는 "동기 부여는 과학적 질문에서 비롯되었습니다. "우리는 엔지니어드 점퍼의 한계를 이해하고 싶었습니다." 생물학적 점퍼에 대한 수세기 동안의 연구(동물의 왕국에서 우리가 될 것입니다)와 대부분 생체에서 영감을 받은 기계식 점퍼에 대한 수십 년에 걸친 연구가 있지만, 그는 두 가지 연구 라인이 다소 분리되어 있다고 말했습니다. "공학적 점퍼가 생물학적 점퍼와 동일한 법칙으로 실제로 제한되는지 여부와 같이 두 가지를 비교 및 ​​대조하고 한계가 어떻게 다른지에 대한 연구는 실제로 없었습니다."라고 그는 말했습니다.

생물학적 시스템은 오랫동안 운동을 위한 최초이자 최고의 모델로 사용되어 왔으며 연구원들은 "일정한 질량을 유지하면서 점퍼가 지면에 가하는 힘에 의해 생성된 운동"으로 정의한 점프에 특히 해당됩니다. 많은 엔지니어링 점퍼는 진화가 제공하는 디자인을 복제하고 큰 효과를 내는 데 중점을 두었습니다.

그러나 생물학적 시스템에서 도약을 만드는 요소는 공학 시스템의 경우 제한적일 수 있다고 Ph.D.인 Charles Xaio가 말했습니다. 혹스 연구실의 후보.

Xaio는 "생물학적 시스템은 한 번의 근육 운동으로 생산할 수 있는 에너지만큼만 점프할 수 있습니다."라고 말했습니다. 따라서 이 시스템은 몸을 지면에서 밀어내는 데 줄 수 있는 에너지의 양이 제한되어 있으며 점퍼는 그만큼 높이 뛸 수 있습니다.

그러나 공학적 점퍼의 경우 연구원들은 사용 가능한 에너지의 양을 늘릴 수 있는 방법이 있을 수 있다고 생각했습니다.

그들은 많은 스트로크를 하기 위해 래칫 또는 회전하는 모터를 사용하여 스프링에 저장할 수 있는 에너지의 양을 배가시킵니다. 연구원들은 이 능력을 "작업 곱셈"이라고 불렀으며, 이는 모든 모양과 크기의 엔지니어링된 점퍼에서 찾을 수 있습니다.

Xiao는 "생물학적 점퍼와 공학적인 점퍼의 에너지 생산 차이는 점프 높이를 최대화하기 위해 두 점퍼가 매우 다른 디자인을 가져야 함을 의미합니다."라고 말했습니다. 동물은 단일 근육 스트로크로 생성되는 상대적으로 적은 양의 에너지를 저장하기에 충분한 작은 용수철과 큰 근육 질량을 가져야 합니다. 대조적으로, 엔지니어링된 점퍼는 가능한 한 큰 스프링과 작은 모터를 가져야 합니다."

연구원들은 이러한 통찰력을 바탕으로 생물학적 점퍼와 상당히 다른 점퍼를 설계했습니다. 모터에 대한 스프링의 크기는 동물에서 발견되는 것보다 거의 100배 더 큽니다. 또한, 그들은 단위 질량당 에너지 저장을 극대화하기 위해 새로운 스프링을 고안했습니다. 하이브리드 인장 압축 스프링에서 탄소 섬유 압축 활은 눌려지고 고무 밴드는 모터 구동 스핀들에 감긴 선을 당겨 늘어납니다. 팀은 고무로 가운데를 가로질러 바깥쪽으로 구부러진 활 가장자리를 연결하는 것도 스프링의 강도를 향상시킨다는 것을 발견했습니다.

"놀랍게도 고무는 압축 활 스프링을 더 강하게 만듭니다."라고 Hawkes는 말했습니다. "스프링이 부러지지 않고 더 압축할 수 있습니다."

점퍼는 경량으로 설계되어 점프 에너지를 방출하는 최소한의 래칭 메커니즘과 비행 중 공기 저항을 최소화하기 위해 다리를 접을 수 있는 공기역학적입니다. 전체적으로 이러한 설계 기능을 통해 9밀리초 내에 0에서 60mph(315g의 가속력)의 속도를 높이고 연구원의 시연에서 대략 100피트 높이에 도달할 수 있습니다. 연구에 따르면 모터 구동 점퍼의 경우 이는 "현재 사용 가능한 재료로 가능한 점프 높이 한계에 가깝습니다."라고 합니다.

이 디자인과 생물학적 디자인이 설정한 한계를 초과할 수 있는 능력은 점프를 기계 운동의 효율적인 형태로 다시 상상할 수 있는 단계를 설정합니다. 점프 로봇은 현재 비행 로봇만 도달할 수 있는 장소를 얻을 수 있습니다.

이점은 지구에서 훨씬 더 두드러질 것입니다. 점프 로봇은 표면의 장애물을 처리하지 않고 달이나 행성을 효율적으로 가로질러 이동할 수 있을 뿐만 아니라 지형 기반 로봇이 도달할 수 없는 기능과 관점에 접근할 수 있습니다.

Hawkes는 달의 중력이 지구 중력의 1/6이고 기본적으로 중력이 존재하지 않는다는 점을 지적하면서 "우리는 이 장치가 달에서 0.5km 앞으로 점프하면서 높이 125m를 뚫을 수 있어야 한다고 계산했습니다."라고 말했습니다. 에어 드래그. "그것은 엔지니어드 점퍼들에게 큰 도약이 될 것입니다."