생물학에서 영감을 받은 모델이 소프트 로봇 제어의 문을 엽니다.

문어 팔은 도달, 잡기, 가져오기, 기어가기, 수영과 같은 복잡한 움직임을 수행하기 위해 거의 무한한 자유도를 조정합니다. 이 동물들이 어떻게 그렇게 광범위한 활동을 하는지는 미스터리, 놀라움, 영감의 원천으로 남아 있습니다. 도전의 일부는 내부 근육의 복잡한 조직과 생체 역학에서 비롯됩니다.

이 문제는 University of Illinois Urbana-Champaign의 기계 과학 및 공학 교수인 Prashant Mehta와 Mattia Gazzola가 이끄는 종합 프로젝트에서 해결되었습니다. 보고된 바와 같이 왕립학회 회보 A, 두 연구원과 그들의 그룹은 문어 팔 근육의 생리 학적으로 정확한 모델을 개발했습니다. Mehta는 “최초의 우리 모델은 생물학적 문제에 대한 통찰력을 제공할 뿐만 아니라 앞으로 소프트 로봇을 설계하고 제어하기 위한 프레임워크를 제공합니다.”라고 말했습니다.

문어 팔의 인상적인 기능은 오랫동안 소프트 로봇의 설계 및 제어에 영감을 주었습니다. 이러한 소프트 로봇은 농업에서 수술에 이르기까지 인간 주변에서 안전하게 작동하면서 구조화되지 않은 환경에서 복잡한 작업을 수행할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

이 연구의 수석 저자인 대학원생 Heng-Sheng Chang은 문어의 팔과 같은 연체 시스템이 주요 모델링 및 제어 문제를 제시한다고 설명했습니다. “그들은 세로, 가로 및 사선의 세 가지 주요 내부 근육 그룹에 의해 구동되며 팔이 전단, 확장, 굽힘 및 비틀림과 같은 여러 모드로 변형됩니다.”라고 그는 말했습니다. “이것은 딱딱한 팔과 달리 부드러운 근육질 팔에 상당한 자유를 부여합니다.”

팀의 핵심 통찰력은 연속체 역학 이론에서 차용한 개념인 저장된 에너지 함수를 사용하여 팔 근육을 표현하는 것이었습니다. 박사후 연구원이자 교신저자인 Udit Halder는 “팔은 최소한의 에너지 환경에 놓여 있습니다. 근육 작동은 저장된 에너지 기능을 수정하여 팔의 평형 위치를 이동하고 동작을 안내합니다.”라고 설명했습니다.

저장된 에너지를 사용하여 근육을 해석하면 팔의 제어 설계가 획기적으로 단순화됩니다. 특히, 이 연구는 도달 및 잡기와 같은 조작 작업을 해결하기 위해 필요한 근육 활성화를 계산하기 위한 에너지 성형 제어 방법론을 설명합니다. 이 접근 방식이 소프트웨어 환경에서 수치로 입증되었을 때 탄력있는, 이 모델은 문어 팔을 3차원으로 시뮬레이션했을 때 놀랍도록 실물과 같은 움직임을 이끌어 냈습니다. 또한 Halder에 따르면 “우리 작업은 기계 학습을 포함한 대체 접근 방식에서 종종 부족한 성능에 대한 수학적 보장을 제공합니다.”

Mehta는 “우리 작업은 일리노이 대학에서 진행 중인 협력의 더 큰 생태계의 일부입니다.”라고 말했습니다. “업스트림에는 문어에 대한 실험을 수행하는 생물학자가 있고, 다운스트림에는 이러한 수학적 아이디어를 실제 소프트 로봇에 적용하는 로봇 공학자가 있습니다.”

메타(Mehta)와 가졸라(Gazzola) 그룹은 관찰된 문어 생리학을 이 연구를 위한 수학적 모델에 통합하기 위해 일리노이주 분자 및 통합 생리학 명예 교수인 라노르 질레트(Rhanor Gillette)와 협력했습니다. 향후 작업은 에너지 기반 제어의 생물학적 의미를 논의할 것입니다. 또한 연구원들은 수학적 아이디어를 실제 소프트 로봇 설계 및 제어에 통합하기 위해 일리노이주 산업 및 기업 시스템 공학 교수인 Girish Krishnan과 협력하고 있습니다. 이것은 소프트 로봇을 제어하는 ​​체계적인 방법을 만들 뿐만 아니라 작동 메커니즘에 대한 더 깊은 이해를 제공할 것입니다.

이 작업은 Office of Naval Research에서 지원하는 일리노이 대학의 Coordinated Science Laboratory의 종합 대학 연구 이니셔티브인 CyberOctopus 프로젝트의 일부였습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2023/02/230224145223.htm