Ритм как ключевой элемент дизайна в эволюции и робототехнике
Исследователи из Университета Дьюка утверждают, что при проектировании движений роботов, имитирующих животных, часто упускают из виду критически важный элемент: ритм.
Хотя математика движения конечностей с разными рычагами, тел с разной аэродинамикой и форм, толкающих окружающую среду, кажется прямой, она создаёт множество степеней свободы в дизайне. Однако, по мнению учёных, до сих пор мало внимания уделялось временному ритму, с которым все эти элементы работают вместе.
«Минимизация работы за счёт изменения скорости — идея не новая, — говорит Адриан Бежан, профессор машиностроения. — Но варьирование ритма движения — "музыки" взаимодействия частей во времени — это упущенный аспект дизайна, который может улучшить производительность».
Исследование, изложенное в Scientific Reports, иллюстрирует это на примере плавания (лягушки, брасс). Их гребок характеризуется тремя интервалами:
- Медленное выведение конечностей вперёд
- Быстрое толкательное движение назад
- Статическое скольжение по инерции
Для оптимальной эффективности последовательность обычно: долго, быстро, долго. Однако в экстремальных ситуациях (побег от хищника) эти ритмические соотношения могут резко меняться.
Применение в робототехнике:
- Внедрение различных ритмов в стандартные движения роботов (собак, рыб, птиц) может повысить эффективность их обычных операций.
- Оптимальные ритмы, в свою очередь, повлияют на выбор всех остальных параметров общего дизайна системы.
Работа развивает более ранние исследования Бежана (20-летней давности) о связи размера и скорости в животном мире. Нынешнее исследование показывает, что та модель была неполной: все движущиеся системы (животные, роботы) могут дополнительно оптимизировать свою механику, добавив элемент ритма.
«Ритму можно и нужно учить спортсменов (пловцов, бегунов) для достижения преимущества, — заключает Бежан. — Ритм увеличивает количество "ручек настройки" для движения в мире. Это ещё один пример того, как хороший дизайн — созданный человеком или естественной эволюцией — является настоящей формой искусства».