folga

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 3290 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Os animais correm vigorosamente em terrenos diversos. Essa 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 fornecem informações sensoriais com atrasos significativos, seria de se esperar um efeito desestabilizador no controle sensório-motor. Portanto, 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 de folga 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 vários terrenos e perturbações. Durante o salto para frente, o amortecimento baseado em slack melhora a recuperação mais rápida da perturbação (até 170%) com maior custo energético (27%). O mecanismo de folga ajustável aciona automaticamente o amortecedor durante as perturbações, levando a um amortecimento de gatilho de perturbação, melhorando a robustez com um custo energético mínimo. Com os resultados do mecanismo de amortecimento slack, propomos uma nova interpretação funcional dos tendões musculares redundantes dos animais como amortecedores ajustáveis.

Acima: Percurso rápido sobre a perturbação do solo é um desafio. Devido a atrasos sensório-motores de até 50 ms, o sistema nervoso central luta para perceber e reagir a distúrbios súbitos do solo1. Em contraste, a mecânica intrínseca do sistema musculoesquelético age como um amortecedor de mola. Eles produzem uma reação física e, portanto, imediata (< 5 ms) quando em contato com o ambiente. Nossa hipótese é que o amortecimento das pernas atenua a perturbação do solo por meio da produção de força adaptativa e da dissipação de energia. A folga do tendão, juntamente com o movimento da junta, aciona automaticamente o amortecedor. Isso cria um trade-off entre robustez de locomoção e eficiência energética. Parte inferior: A folga do amortecedor permite o amortecimento acionado por perturbação. Suficientemente afrouxado, o amortecedor não engata durante a postura 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 em paralelo à mola.

Os animais correm dinamicamente em uma ampla variedade de terrenos (Fig. 1). O desnível e a conformidade variável do terreno natural exigem a capacidade de adaptação rápida e dinâmica a condições inesperadas do solo. No entanto, os atrasos na neurotransmissão dos animais retardam a propagação da informação sensório-motora2, impossibilitando uma resposta neuronal por até 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 da informação sensório-motora atrasada é, portanto, uma questão central em neurociência e biorobótica1,3,4,5.

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

A elasticidade intrínseca e seu papel na locomoção das pernas foram extensivamente estudados12,13,14,15,16. Por exemplo, 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 pernas18,19,20,21, demonstrando maior robustez com baixo esforço de controle. Em contraste, o papel funcional que o amortecimento desempenha na locomoção com pernas é menos estudado e compreendido.