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El avance robótico imita la eficiencia del caminar humano

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El avance robótico imita la eficiencia del caminar humano

Resumen: Los investigadores han logrado avances significativos en robótica al replicar la marcha a velocidad variable similar a la humana utilizando un modelo musculoesquelético. Este modelo, impulsado por un método de control reflejo cercano al sistema nervioso humano, mejora nuestra comprensión de la locomoción humana y establece nuevos estándares en la tecnología robótica.

El estudio utilizó un algoritmo innovador para optimizar la eficiencia energética a diferentes velocidades de marcha. Este avance allana el camino para futuras innovaciones en robots bípedos, prótesis y exoesqueletos motorizados.

Reflejos:

  1. El equipo de la Universidad de Tohoku reprodujo con éxito los mecanismos de marcha humana en un modelo robótico, lo que refleja la complejidad de los sistemas musculoesquelético y nervioso humanos.
  2. Se desarrolló un algoritmo avanzado para optimizar la eficiencia energética, esencial para replicar la marcha natural de los humanos a velocidad variable.
  3. Esta investigación tiene un inmenso potencial para avances en robots bípedos, prótesis y exoesqueletos eléctricos, mejorando las soluciones de movilidad y la robótica cotidiana.

Fuente: Universidad de Tohoku

Normalmente no pensamos en ello mientras lo hacemos, pero caminar es una tarea complicada. Controlados por nuestro sistema nervioso, nuestros huesos, articulaciones, músculos, tendones, ligamentos y otros tejidos conectivos (es decir, el sistema musculoesquelético) deben moverse coordinadamente y responder a cambios o perturbaciones inesperadas a velocidades variables y de manera muy eficiente. Reproducir esto en tecnologías robóticas no es tarea fácil.

Ahora, un grupo de investigación de la Escuela de Graduados en Ingeniería de la Universidad de Tohoku ha replicado la marcha humana a velocidad variable utilizando un modelo musculoesquelético, impulsado por un método de control de reflejos que refleja el sistema nervioso humano. Este avance en biomecánica y robótica establece un nuevo punto de referencia en la comprensión del movimiento humano y allana el camino para tecnologías robóticas innovadoras.

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Reproducir esto en tecnologías robóticas no es tarea fácil. Crédito: Noticias de neurociencia

Los detalles de su estudio han sido publicados en la revista. Biología Computacional PLoS el 19 de enero de 2024.

«Nuestro estudio abordó el complejo desafío de reproducir una marcha eficiente a diferentes velocidades, una piedra angular del mecanismo de la marcha humana», destaca el profesor asociado Dai Owaki y coautor del estudio con Shunsuke Koseki y el profesor Mitsuhiro Hayashibe.

“Este conocimiento es esencial para ampliar los límites de la comprensión de la locomoción, la adaptación y la eficiencia humanas. »

Este éxito se debe a un algoritmo innovador. El algoritmo evolucionó más allá del método de mínimos cuadrados convencional y ayudó a diseñar un modelo de circuito neuronal optimizado para la eficiencia energética en varias velocidades de caminata.

Un análisis intensivo de estos circuitos neuronales, en particular los que controlan los músculos durante la fase de balanceo de las piernas, ha revelado elementos esenciales de las estrategias de caminata energéticamente eficientes. Estas revelaciones mejoran nuestra comprensión de los complejos mecanismos de las redes neuronales que subyacen a la marcha humana y su eficiencia.

Owaki enfatiza que el conocimiento descubierto en el estudio ayudará a sentar las bases para futuros avances tecnológicos.

“La exitosa emulación de la marcha a velocidad variable en un modelo musculoesquelético, combinada con circuitos neuronales sofisticados, marca un avance crucial en la fusión de la neurociencia, la biomecánica y la robótica. Revolucionará el diseño y desarrollo de robots bípedos de alto rendimiento, prótesis avanzadas y exoesqueletos eléctricos de última generación.

Estos avances podrían mejorar las soluciones de movilidad para personas con discapacidad y hacer avanzar las tecnologías robóticas utilizadas en la vida diaria.

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De cara al futuro, Owaki y su equipo esperan perfeccionar aún más el marco de control de reflejos para recrear una gama más amplia de velocidades y movimientos al caminar humanos. También planean aplicar los conocimientos y algoritmos del estudio para crear prótesis, trajes eléctricos y robots bípedos más adaptables y energéticamente eficientes. Esto incluye integrar los circuitos neuronales identificados en estas aplicaciones para mejorar su funcionalidad y la naturalidad de sus movimientos.

Acerca de esta noticia de investigación en robótica

Autor: Relaciones públicas
Fuente: Universidad de Tohoku
Contactar: Relaciones Públicas – Universidad de Tohoku
Imagen: La imagen está acreditada a Neuroscience News.

Investigacion original: Acceso libre.
«Identificación de factores esenciales para un control de la marcha energéticamente eficiente en una amplia gama de velocidades en sistemas musculoesqueléticos basados ​​en reflejos» por Dai Owaki et al. PLOS Biología Computacional


Abstracto

Identificación de factores esenciales para un control de la marcha energéticamente eficiente en una amplia gama de velocidades en sistemas musculoesqueléticos basados ​​en reflejos

Los humanos pueden generar y mantener una amplia gama de velocidades al caminar mientras optimizan su eficiencia energética. Comprender los complejos mecanismos que rigen la marcha humana contribuirá a aplicaciones técnicas como robots bípedos energéticamente eficientes y dispositivos de asistencia para caminar. Los mecanismos de control basados ​​en reflejos, que generan patrones motores en respuesta a la retroalimentación sensorial, se han mostrado prometedores para generar una marcha similar a la humana en modelos musculoesqueléticos.

Sin embargo, la regulación precisa de la velocidad sigue siendo un gran desafío. Esta limitación dificulta la identificación de los circuitos reflejos esenciales para caminar con eficiencia energética. Para explorar el mecanismo de control de reflejos y comprender mejor su mecanismo de mantenimiento de ahorro de energía, ampliamos el sistema de control basado en reflejos para permitir velocidades de marcha controladas según las velocidades objetivo.

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Desarrollamos un nuevo método de mínimos cuadrados ponderados por rendimiento (PWLS) para diseñar un modulador de parámetros que optimice la eficiencia de la marcha mientras mantiene la velocidad objetivo para el sistema bípedo basado en reflejos.

Generamos con éxito ritmos de caminata de 0,7 a 1,6 m/s en un modelo musculoesquelético bidimensional basado en una velocidad objetivo ingresada al entorno de simulación. Nuestro análisis detallado del modulador de parámetros en un sistema basado en reflexión reveló dos circuitos reflejos clave que impactan significativamente la eficiencia energética.

Además, se confirmó que este resultado no se vio influenciado por los parámetros de ajuste, es decir, la longitud de la pierna, el retraso sensorial y los coeficientes de peso en la función de costo objetivo.

Estos resultados proporcionan una poderosa herramienta para explorar las bases neuronales del control de la locomoción, al tiempo que arrojan luz sobre los complejos mecanismos subyacentes a la marcha humana y tienen un potencial significativo para aplicaciones prácticas en ingeniería.

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La sonda Juno de la NASA captura fascinantes imágenes de alta resolución de Europa, la luna helada de Júpiter

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La sonda Juno de la NASA captura fascinantes imágenes de alta resolución de Europa, la luna helada de Júpiter

Cuando la NASA Juno la nave espacial hizo su mayor acercamiento a Júpiteres la luna Europa En septiembre de 2022, capturó evidencia no solo de bolsas de agua salobre conectadas a las profundidades del océano subterráneo del planeta, sino también de posibles cicatrices formadas por imponentes columnas de vapor de agua, y capturó esta evidencia en cámara.

La mayoría de las imágenes de la misión Juno son tomadas por un instrumento llamado JunoCam, que los científicos revelaron que era capaz de tomar cuatro imágenes de alta resolución de la superficie de Europa. cuando pasó junto a la luna helada a una altitud de sólo 355 kilómetros (220 millas). La nave espacial también utilizó su Unidad de Referencia Estelar (SRU), que normalmente se utiliza para obtener imágenes débiles. estrellas, para ayudar a Juno a navegar. En esta ocasión, sin embargo, las capacidades de poca luz de la SRU se adaptaron para tomar una imagen del lado nocturno de Europa. Este es el lado que brilla sólo con la luz reflejada desde las cimas de las nubes de Júpiter; lo llamamos «resplandor de Júpiter».

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Scout Space seleccionado por AFWERX para desarrollar un marco de análisis de colisiones y mejorar la seguridad espacial – SatNews

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Scout Space seleccionado por AFWERX para desarrollar un marco de análisis de colisiones y mejorar la seguridad espacial – SatNews
CONCIENCIA ESPACIAL
El conocimiento es poder en el cada vez más disputado dominio espacial. Scout proporciona cargas útiles y algoritmos alojados Plug & Play para convertir cualquier nave espacial en una plataforma SDA.

Scout planea desarrollar el marco con una demanda computacional mínima y apunta a abrir nuevas vías para análisis de escenarios avanzados, contribuyendo así a la predicción y mitigación de posibles intercepciones del adversario. Esta capacidad es fundamental para proteger los activos espaciales críticos de los EE. UU., de conformidad con los objetivos estratégicos de la oficina del programa Espacio Tácticamente Responsivo (TacRS) y otras entidades del USSF.

AUTOPROTEGIDO
Realice un seguimiento de sus activos de alto valor y de todas las amenazas potenciales cercanas y lejanas. La conciencia situacional local es esencial para un ecosistema espacial sostenible.

“Los métodos tradicionales de predicción de colisiones, que se basan en cálculos de fuerza bruta, a menudo fallan en escenarios en tiempo real porque carecen de la agilidad necesaria para una autoprotección eficaz. » OBSERVACIÓN Philip Hover-Smoot, director ejecutivo de Scout Space. «El enfoque innovador de nuestro equipo para este problema no sólo podría equipar a las naves espaciales con autoprotección autónoma, sino también mejorar las capacidades operativas al estimar eficazmente las ventanas de la línea de visión de objetos espaciales críticos no rastreados».

Jordan Maxwell, Ph.D, ingeniero jefe de GNC Scout., agregado, “La tecnología que Scout está desarrollando aprovecha las limitaciones orbitales para permitir una identificación, seguimiento y evitación altamente eficiente de posibles colisionadores, todo ello a bordo de la nave espacial. Al eliminar la latencia de las comunicaciones terrestres, el enfoque de Scout puede facilitar la prevención de colisiones justo a tiempo, incluso con objetos pequeños y difíciles de rastrear, para naves espaciales habilitadas para SDA.

Avanzando en las capacidades de autoprotección de las naves espaciales en tiempo real con autonomía

La compañía planea integrar este marco en su carga útil Space Domain Awareness (SDA) de próxima generación, lo que permitirá la detección de colisiones de objetos proliferados y la mitigación de riesgos.

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Las opiniones expresadas son las del autor y no reflejan necesariamente la política o posición oficial del Departamento de la Fuerza Aérea, el Departamento de Defensa o el Gobierno de los Estados Unidos.

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“Sin precedentes”: el CO2 está aumentando 10 veces más rápido que en cualquier otro momento de la historia

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“Sin precedentes”: el CO2 está aumentando 10 veces más rápido que en cualquier otro momento de la historia

Investigaciones recientes indican que la tasa actual de aumento del CO2 atmosférico no tiene precedentes, siendo diez veces más rápida que cualquier período de los últimos 50.000 años, lo que destaca implicaciones significativas para la dinámica climática global y las capacidades futuras de CO2 del Océano Austral.

Los investigadores que llevan a cabo un análisis químico detallado del antiguo hielo antártico han descubierto que la tasa actual de aumento del dióxido de carbono atmosférico es 10 veces más rápida que en cualquier otro momento de los últimos 50.000 años.

Los resultados, que acaban de publicarse en el procedimientos de la Academia Nacional de CienciasProporcionan una nueva comprensión importante de los períodos de cambio climático abrupto en el pasado de la Tierra y ofrecen nuevos conocimientos sobre los impactos potenciales del cambio climático actual.

“Estudiar el pasado nos enseña lo diferente que es el hoy. La tasa de CO2 El cambio actual no tiene precedentes”, afirmó Kathleen Wendt, profesora asistente en la Facultad de Ciencias de la Tierra, los Océanos y la Atmósfera de la Universidad Estatal de Oregón y autora principal del estudio.

“Nuestra investigación ha identificado las tasas más rápidas de aumento natural de CO2 jamás observadas, y la tasa que ocurre hoy, en gran parte debido a las emisiones humanas, es 10 veces mayor. »

El dióxido de carbono, o CO2, es un gas de efecto invernadero que se encuentra naturalmente en la atmósfera. Cuando el dióxido de carbono ingresa a la atmósfera, contribuye al calentamiento climático debido al efecto invernadero. En el pasado, los niveles han fluctuado debido a los ciclos de la edad de hielo y otras causas naturales, pero hoy están aumentando debido a las emisiones humanas.

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Análisis de núcleos de hielo antártico.

El hielo que se ha acumulado en la Antártida durante cientos de miles de años incluye antiguos gases atmosféricos atrapados en burbujas de aire. Los científicos utilizan muestras de este hielo, recogidas mediante perforaciones de hasta 3,2 kilómetros de profundidad, para analizar rastros de sustancias químicas y establecer registros del clima pasado. La Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. apoyó la perforación del núcleo de hielo y el análisis químico utilizados en el estudio.

Investigaciones anteriores han demostrado que durante la última edad de hielo, que terminó hace unos 10.000 años, hubo varios períodos en los que los niveles de dióxido de carbono parecían mucho más altos que el promedio. Pero esas mediciones no fueron lo suficientemente detalladas como para revelar la naturaleza completa de los rápidos cambios, lo que limitó la capacidad de los científicos para comprender lo que estaba sucediendo, dijo Wendt.

Trozo de un núcleo de hielo antártico

Un trozo de núcleo de hielo de la Antártida. Los investigadores están estudiando las sustancias químicas atrapadas en el hielo viejo para aprender más sobre el clima pasado. Crédito: Katherine Stelling, Universidad Estatal de Oregón

«Probablemente no se esperaría ver esto en medio de la última edad de hielo», dijo. «Pero se despertó nuestro interés y queríamos volver a esos períodos y tomar mediciones más detalladas para descubrir qué estaba pasando».

Utilizando muestras del núcleo de hielo de la capa de hielo de la Antártida occidental, Wendt y sus colegas estudiaron lo que sucedía durante estos períodos. Identificaron un patrón que mostraba que estos aumentos de dióxido de carbono ocurrían junto con intervalos fríos en el Atlántico Norte, conocidos como eventos de Heinrich, asociados con cambios climáticos abruptos en todo el mundo.

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«Estos eventos de Heinrich son realmente notables», afirmó Christo Buizert, profesor asociado de la Facultad de Ciencias de la Tierra, los Océanos y la Atmósfera y coautor del estudio. “Creemos que son causados ​​por un dramático colapso de la capa de hielo de América del Norte. Esto desencadena una reacción en cadena que implica cambios en los monzones tropicales, los vientos del oeste en el hemisferio sur y esos grandes eructos de CO.2 emergiendo de los océanos. »

Comparación de los aumentos naturales y actuales de CO2

Durante el mayor aumento natural, el dióxido de carbono aumentó aproximadamente 14 partes por millón en 55 años. Y los saltos ocurrieron aproximadamente una vez cada 7.000 años. Al ritmo actual, ese aumento sólo tardará entre 5 y 6 años.

La evidencia sugiere que durante períodos pasados ​​de aumentos naturales de dióxido de carbono, los vientos del oeste que desempeñan un papel importante en la circulación oceánica profunda también se fortalecieron, lo que llevó a una rápida liberación de CO2 del Océano Austral.

Otras investigaciones sugieren que estos vientos del oeste se fortalecerán durante el próximo siglo debido al cambio climático. Los nuevos hallazgos sugieren que si esto sucede, se reducirá la capacidad del Océano Austral para absorber el dióxido de carbono generado por la actividad humana, anotaron los investigadores.

«Dependemos del Océano Austral para absorber parte del dióxido de carbono que emitimos, pero los vientos del sur que aumentan rápidamente están debilitando su capacidad para hacerlo», dijo Wendt.

Referencia: “El Océano Austral genera CO atmosférico durante varias décadas2 Rise durante Heinrich Stadials” de Kathleen A. Wendt, Christoph Nehrbass-Ahles, Kyle Niezgoda, David Noone, Michael Kalk, Laurie Menviel, Julia Gottschalk, James WB Rae, Jochen Schmitt, Hubertus Fischer, Thomas F. Stocker, Juan Muglia, David Ferreira, Shaun A. Marcott, Edward Brook y Christo Buizert, 13 de mayo de 2024, procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias.
DOI: 10.1073/pnas.2319652121

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Otros coautores incluyen a Ed Brook, Kyle Niezgoda y Michael Kalk del estado de Oregon; Christoph Nehrbass-Ahles de Universidad de Berna en Suiza y en el Laboratorio Nacional de Física del Reino Unido; Thomas Stocker, Jochen Schmitt y Hubertus Fischer de la Universidad de Berna; Laurie Menviel de la Universidad de Nueva Gales del Sur en Australia; James Rae de la Universidad de St. Andrews en el Reino Unido; Juan Muglia de Argentina; David Ferreira de la Universidad de Reading en el Reino Unido y Shaun Marcott de la Universidad de Wisconsin-Madison.

El estudio fue financiado por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU.

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