Folga

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 3290 (2023) Citar este artigo

1712 Acessos

9 Altmétrico

Detalhes das métricas

Os animais correm robustamente em terrenos diversos. Esta robustez de locomoção é intrigante porque a velocidade de condução do axônio é limitada a algumas dezenas de metros por segundo. Se os loops reflexos fornecerem informações sensoriais com atrasos significativos, seria de esperar um efeito desestabilizador no controle sensório-motor. Conseqüentemente, uma explicação alternativa descreve uma estrutura hierárquica de mecânica adaptativa de baixo nível e controle sensório-motor de alto nível para ajudar a mitigar os efeitos dos atrasos de transmissão. Motivados pelo conceito de um mecanismo adaptativo que desencadeia uma resposta imediata, desenvolvemos um sistema de amortecimento físico sintonizável. Nosso mecanismo combina um tendão com folga ajustável conectado a um amortecedor físico. O amortecedor frouxo permite o ajuste da força de amortecimento, tempo de início, curso efetivo e dissipação de energia. Caracterizamos o mecanismo amortecedor de folga montado em um robô com pernas controlado em modo de malha aberta. O robô salta vertical e planarmente sobre diversos terrenos e perturbações. Durante o salto para frente, o amortecimento baseado em folga melhora a recuperação mais rápida das perturbações (até 170%) com maior custo energético (27%). O mecanismo de folga ajustável aciona automaticamente o amortecedor durante perturbações, levando a um amortecimento do gatilho de perturbação, melhorando a robustez com um custo energético mínimo. Com os resultados do mecanismo de amortecedor frouxo, propomos uma nova interpretação funcional dos tendões musculares redundantes dos animais como amortecedores sintonizáveis.

Acima: Atropelar rapidamente a perturbação do solo é um desafio. Devido a atrasos sensório-motores de até 50 ms, o sistema nervoso central tem dificuldade para perceber e reagir a distúrbios repentinos do solo1. Em contraste, a mecânica intrínseca do sistema músculo-esquelético actua como um amortecedor de mola. Produzem uma reação física e, portanto, imediata (< 5 ms) quando em contato com o meio ambiente. Nossa hipótese é que o amortecimento das pernas mitiga a perturbação do solo através da produção de força adaptativa e da dissipação de energia. A folga do tendão, juntamente com o movimento da articulação, aciona automaticamente o amortecedor. Isso cria um compromisso entre robustez de locomoção e eficiência energética. Parte inferior: A folga do amortecedor permite o amortecimento acionado por perturbações. Com folga suficiente, o amortecedor não engata durante o apoio e apenas o torque baseado na mola é produzido. Ao encontrar uma perturbação, a compressão da perna aumenta ainda mais, removendo toda a folga do amortecedor, e o amortecedor engata paralelamente à mola.

Os animais correm dinamicamente em uma ampla variedade de terrenos (Fig. 1). Os desníveis e as mudanças na conformidade do terreno natural exigem a capacidade de adaptação rápida e dinâmica às condições inesperadas do terreno. No entanto, os atrasos na neurotransmissão dos animais retardam a propagação da informação sensório-motora2, tornando impossível uma resposta neuronal durante 5 a 40% da duração da fase de apoio, dependendo do tamanho do animal1. Como os animais são capazes de produzir e manter movimentos altamente dinâmicos apesar do atraso na informação sensório-motora é, portanto, uma questão central na neurociência e na biorobótica .

As propriedades mecânicas inerentes aos músculos facilitam a rejeição de perturbações inesperadas6,7,8,9. O tecido muscular possui propriedades mecânicas elásticas não lineares e viscosas, que adaptam a força muscular instantaneamente às mudanças no comprimento ou na velocidade de contração das fibras músculo-tendinosas. Essas propriedades mecânicas permitem que o sistema neuromusculoesquelético reaja a perturbações externas com atraso zero, capacidade denominada “pré-flexo”10,11.

A elasticidade intrínseca e seu papel na locomoção das pernas têm sido extensivamente estudados12,13,14,15,16. Por exemplo, os tendões, que se comportam como molas seriais não lineares, armazenam e liberam energia mecânica durante o contato com o solo12 e melhoram a tolerância ao choque17. Inspirados nisso, atuadores elásticos paralelos e em série foram implementados com sucesso no projeto de robôs com pernas , demonstrando maior robustez com baixo esforço de controle. Em contraste, o papel funcional que o amortecimento desempenha na locomoção das pernas é menos estudado e compreendido.