Einstellbare muskuläre Dämpfung zur Erhöhung von ’morphological computation’ bei der Fortbewegung mit Beinen

• Antragsteller: Professor Dr. Alexander Badri-Spröwitz; Professor Dr. Daniel Häufle; Professor Dr. Tobias Siebert
• Fachliche Zuordnung: Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 449912641

Das neuromuskuläre Kontrollsystem der Tiere (und des Menschen) erzeugt scheinbar mühelos eine robuste und energieeffiziente Fortbewegung, auch auf unebenem Untergrund. Dies ist für robotische Systeme oft noch eine Herausforderung. Im biologischen System kommt hierbei den viskoelastischen Eigenschaften des Muskels und seiner Sehne eine wesentliche Aufgabe zu: die optimale Abstimmung von Energieerzeugung, Energiedissipation und Energiespeicherung. Besonders bei unbekannten Untergrundbedingungen, bei denen die kinetische Energie des Systems bei jedem Bodenkontakt unterschiedlich ist, erzeugen die viskoelastischen Eigenschaften des Muskels die erste Reaktion auf Störungen (z.B. durch Bodenunebenheiten). Damit trägt der Muskel trotz neuronaler Verzögerungen (von bis zu 40% der Dauer einer Standphase) durch sogenannte "morphological computation" zur robusten und agilen Fortbewegung bei. Die viskoelastischen Eigenschaften des Muskels hängen im Detail stark von der Muskelaktivierung ab und sind damit neuronal einstellbar. Insbesondere der Beitrag der Dämpfung wurde bisher nicht systematisch untersucht.Somit lautet die Kernforschungsfrage dieses Projektes: Wie können biologische und robotische Systeme die einstellbaren Dämpfungseigenschaften des Muskels für effiziente und robuste Fortbewegung nutzen? Im Einzelnen sollen folgende Hypothesen bearbeitet werden: 1) "Morphological computation" kann durch mechanische Dämpfung erhöht werden. 2) Durch Einstellung der Dämpfung ist es möglich, den Arbeitsbereich von seriellen elastischen Aktuatoren zu erweitern, um damit ein größeres Geschwindigkeits- und Beschleunigungsspektrum zu erzeugen. 3) Einstellbare Dämpfung ermöglicht es, den Kompromiss zwischen „morphological computation“, Energieeffizienz, Robustheit und Variabilität der Bewegung auf die Anforderungen der Umgebung anzupassen.Diese Hypothesen sollen durch die Entwicklung und enge Interaktion von drei Modellansätzen überprüft werden: a) Entwicklung eines neuromuskulären, biomechanischen Computermodells, das neue Erkenntnisse und Hypothesen insbesondere zur viskosen Muskeldämpfung enthält. b) Entwicklung eines biorobotischen Beinmodells, das eine muskelinspirierte passive, aber abstimmbare mechanische Dämpfung enthält. c) Entwicklung eines Muskelfasermodells, das auf Grundlage experimentell bestimmter viskoelastischer Muskeleigenschaften, realistische Vorhersagen der exzentrischen Kraftantwort bei Bodenkontakt als auch der Energieeffizienz bei zyklischer Lokomotion ermöglicht.Im Rahmen dieses interdisziplinären Forschungsprojektes sollen daher Computermodellierung, Roboterentwicklung und muskelphysiologische Ansätze kombiniert werden, um den grundlegenden Beitrag von "morphological computation" für die robuste Fortbewegung zu untersuchen. Insbesondere wird erstmals die Ausnutzung der muskulären Dämpfung durch low-level-Kontrolle im Sinne von "morphological computation" quantifiziert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen