Robot Lompat Melompat untuk Mencatat Ketinggian

Pelompat mekanis yang dikembangkan oleh profesor teknik Universitas California Santa Barbara Elliot Hawkes dan kolaboratornya mampu mencapai ketinggian tertinggi — kira-kira 100 kaki (30 meter) — dari semua pelompat hingga saat ini, baik buatan maupun biologis. Prestasi ini mewakili pendekatan baru pada desain perangkat lompat dan memajukan pemahaman tentang lompat sebagai bentuk penggerak.

“Motivasinya datang dari pertanyaan ilmiah,” kata Hawkes, yang sebagai ahli robotik berusaha memahami banyak metode yang mungkin dilakukan mesin untuk dapat menavigasi lingkungannya. “Kami ingin memahami apa batasan pada jumper yang direkayasa.” Meskipun ada penelitian selama berabad-abad tentang jumper biologis (itu akan menjadi kita di dunia hewan), dan penelitian selama beberapa dekade tentang jumper mekanis yang sebagian besar terinspirasi oleh bio, katanya, dua jalur penyelidikan telah disimpan agak terpisah. “Belum ada penelitian yang membandingkan dan membedakan keduanya dan bagaimana batasannya berbeda — apakah pelompat rekayasa benar-benar terbatas pada hukum yang sama dengan pelompat biologis,” katanya.

Sistem biologis telah lama berfungsi sebagai model pertama dan terbaik untuk penggerak, dan itu terutama berlaku untuk lompatan, yang didefinisikan oleh para peneliti sebagai "gerakan yang diciptakan oleh gaya yang diterapkan ke tanah oleh pelompat, sambil mempertahankan massa yang konstan." Banyak jumper yang direkayasa telah berfokus pada duplikasi desain yang disediakan oleh evolusi, dan untuk efek yang luar biasa.

Tetapi elemen yang membuat lompatan dalam sistem biologis dapat membatasi sistem rekayasa, kata Charles Xaio, Ph.D. kandidat di lab Hawkes.

"Sistem biologis hanya bisa melompat dengan energi sebanyak yang bisa mereka hasilkan dalam satu pukulan otot mereka," kata Xaio. Dengan demikian, sistem ini terbatas dalam jumlah energi yang dapat diberikan untuk mendorong tubuh dari tanah, dan pelompat hanya dapat melompat begitu tinggi.

Namun, untuk pelompat yang direkayasa, para peneliti berpikir mungkin ada cara untuk meningkatkan jumlah energi yang tersedia.

Mereka menggunakan motor yang berputar atau berputar untuk mengambil banyak pukulan, mengalikan jumlah energi yang dapat mereka simpan di pegas mereka. Para peneliti menyebut kemampuan ini sebagai “perkalian kerja”, yang dapat ditemukan pada jumper rekayasa dari segala bentuk dan ukuran.

“Perbedaan antara produksi energi dalam jumper biologis versus rekayasa berarti bahwa keduanya harus memiliki desain yang sangat berbeda untuk memaksimalkan ketinggian lompatan,” kata Xiao. Hewan harus memiliki pegas kecil — hanya cukup untuk menyimpan jumlah energi yang relatif kecil yang dihasilkan oleh pukulan otot tunggal mereka — dan massa otot yang besar. Sebaliknya, jumper yang direkayasa harus memiliki pegas sebesar mungkin dan motor yang kecil.”

Para peneliti mengambil wawasan ini dan merancang pelompat yang sangat berbeda dengan pelompat biologis - ukuran pegas relatif terhadap motornya hampir 100x lebih besar daripada yang ditemukan pada hewan. Selanjutnya, mereka merancang pegas baru, berusaha memaksimalkan penyimpanan energinya per satuan massa. Dalam pegas kompresi tegangan hibrida, busur kompresi serat karbon terjepit sementara karet gelang diregangkan dengan menarik garis yang melilit poros yang digerakkan motor. Tim menemukan bahwa menghubungkan tepi busur yang melengkung ke luar di tengah dengan karet dalam ketegangan juga meningkatkan kekuatan pegas.

“Anehnya, karet membuat pegas kompresi lebih kuat,” kata Hawkes. “Anda dapat menekan pegas lebih jauh tanpa merusaknya.”

Jumper ini didesain ringan, dengan mekanisme latching yang minimalis untuk melepaskan energi untuk melompat, dan juga aerodinamis, dengan kaki yang dilipat ke dalam untuk meminimalkan hambatan udara selama penerbangan. Secara keseluruhan, fitur desain ini memungkinkannya untuk melaju dari 0 hingga 60 mph dalam 9 milidetik — kekuatan akselerasi 315g — dan mencapai ketinggian sekitar 100 kaki dalam demonstrasi para peneliti. Untuk jumper yang digerakkan motor, ini "mendekati batas ketinggian lompatan yang layak dengan bahan yang tersedia saat ini," menurut penelitian tersebut.

Desain ini dan kemampuan untuk melampaui batas yang ditetapkan oleh desain biologis menetapkan panggung untuk membayangkan kembali lompat sebagai bentuk penggerak mesin yang efisien. Robot pelompat bisa mendapatkan tempat yang saat ini hanya bisa dijangkau oleh robot terbang.

Manfaatnya akan lebih terasa di luar Bumi. Robot pelompat dapat melakukan perjalanan melintasi bulan atau planet secara efisien, tanpa menghadapi rintangan di permukaan, sekaligus mengakses fitur dan perspektif yang tidak dapat dijangkau oleh robot berbasis medan.

"Kami menghitung bahwa perangkat harus mampu membersihkan ketinggian 125 meter sambil melompat setengah kilometer ke depan di bulan," kata Hawkes, menunjukkan bahwa gravitasi bulan adalah 1/6 dari itu di Bumi dan pada dasarnya tidak ada gravitasi. tarikan udara. “Itu akan menjadi lompatan besar bagi pelompat yang direkayasa.”