Während sich das Internet schnell mit viralen Videos von futuristischen Robotern füllt, die wie die Tiere, die sie nachahmen sollen, umherflitzen und rasen, sagen Duke-Forscher, dass es ein Element der Programmierung ihrer Bewegung gibt, das nicht übersehen werden sollte: den Rhythmus.
Bei der Analyse von Beinen, Flügeln und Flossen für sich bewegende Roboter oder Tiere in der realen Welt sieht die Mathematik ziemlich einfach aus. Gliedmaßen mit mehreren Abschnitten unterschiedlicher Länge erzeugen unterschiedliche Hebelverhältnisse, Körper mit unterschiedlichen Formen und Größen erzeugen Luftwiderstandskoeffizienten und Massenschwerpunkte und Füße, Flügel oder Flossen unterschiedlicher Form und Größe drücken auf die Welt um sie herum.
Alle diese Optionen schaffen mehr Freiheitsgrade beim endgültigen Design. Aber bis jetzt, sagen die Forscher, habe niemand dem Timing ihrer Zusammenarbeit große Aufmerksamkeit geschenkt.
„Die Minimierung des Arbeitsaufwands durch Variation der Geschwindigkeit des Mover ist eine Idee, die es schon seit langem gibt“, sagte Adrian Bejan, JA Jones Distinguished Professor für Maschinenbau an der Duke. „Aber die Variation des Rhythmus dieser Bewegung – der Musik, wie sich die Teile im Laufe der Zeit zusammenbewegen – ist ein Designaspekt, der übersehen wurde, obwohl er die Leistung verbessern kann.“
Die Argumentation und Mathematik, die diese These untersucht, war veröffentlicht In Wissenschaftliche Berichte.
Um seinen Standpunkt in der Arbeit zu veranschaulichen, verweist Bejan auf natürliche Schwimmer wie Frösche oder Menschen, die Brustschwimmen betreiben. Ihr Schwimmtor ist durch drei Zeitintervalle gekennzeichnet: eine langsame Zeitspanne des Vorwärtsgreifens, eine schnelle Zeitspanne des Rückwärtsschiebens und eine statische Zeitspanne des Ausrollens. Um eine optimale Leistung zu erzielen, dauern diese Intervalle typischerweise lang, schnell, lang. Aber in bestimmten Situationen – zum Beispiel beim Überholen oder Ausmanövrieren eines Raubtiers – ändern sich die Verhältnisse dieser Zeiträume drastisch.
Bei der Entwicklung von Robotern, die Hunde, Fische oder Vögel nachahmen sollen, kann die Einbeziehung unterschiedlicher Rhythmen in ihre Standardbewegungen ihre normalen Abläufe effizienter machen. Und diese optimalen Rhythmen wirken sich wiederum auf die Entscheidungen für alle anderen Teile des Gesamtdesigns aus.
Die Arbeit baut auf Forschungsergebnissen auf, die Bejan vor fast 20 Jahren veröffentlichte und in denen er zeigte, dass Größe und Geschwindigkeit im gesamten Tierreich, sei es an Land, in der Luft oder unter Wasser, Hand in Hand gehen. Die dieser Arbeit zugrunde liegende Physik beschäftigte sich damit, dass das Gewicht aus der Höhe eines bestimmten Tieres immer wieder nach vorne fällt. In dieser Arbeit zeigt Bejan, dass seine bisherigen Arbeiten unvollständig waren und dass alle Tiere, Roboter und andere sich bewegende Dinge ihre Mechanik durch das Hinzufügen eines Rhythmuselements weiter optimieren können.
„Man kann – und das sollte man auch – Wettkampfschwimmern und Läufern, die auf der Suche nach einem Vorteil sind, Bewegungsrhythmen beibringen“, sagte Bejan. „Rhythmus erhöht die Anzahl der Knöpfe, die man drehen kann, wenn man versucht, sich durch die Welt zu bewegen. Es ist ein weiteres Beispiel dafür, dass gutes Design – ob von Menschen oder durch natürliche Evolution geschaffen – wirklich eine Kunstform ist.“
Mehr Informationen:
A. Bejan et al., Bewegungsrhythmus erzeugt Kraft und Geschwindigkeit, Wissenschaftliche Berichte (2023). DOI: 10.1038/s41598-023-41023-6