Instrumentierung von biomimetischen Belastungssensoren in laufenden Robotern
Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik
Systematik und Morphologie der Tiere
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Insekten verfügen über eine äußerst robuste und zuverlässige Fortbewegungsart. Durch verteilte Sensoren, die das neuromuskuläre System mit redundanten Informationen versorgen, können sie sich an raue Bedingungen und oft sogar an den Verlust von Gliedmaßen anpassen. Diese sensorischen Strukturen, die wichtige Informationen darüber liefern, wo sich die Gliedmaßen im Raum befinden und welche externen Faktoren sie möglicherweise beeinflussen, ermöglichen eine rückkopplungsgesteuerte Kontrolle der Gliedmaßen. Dagegen werden Roboter in der Regel mit vereinzelten Sensoren gebaut, die Informationen an einer Stelle überwachen, um die Schwierigkeiten der Nachgiebigkeit und der Sensorkomplexität zu vermeiden. Dies kann in einigen Fällen nützlich sein, aber um widerstandsfähige Roboter zu entwickeln, die sich in unwegsamem, unvorhersehbarem Gelände behaupten können, ist eine verteilte, redundante Sensorik, wie sie in Insekten vorkommt, sinnvoll. Eine Art von Belastungssensor, die in Insekten vorkommt, sind die campaniformen Sensillen (CS). Durch ihre komplexe Morphologie in der Kutikula können sie Belastungen in neuronale Signale umwandeln. Mit Hilfe eines Modells, das auf einem reduzierten Präparat dieser Sensillen basiert, das unter Verwendung von Harzen mit unterschiedlicher Nachgiebigkeit 3D-gedruckt wurde, und Dehnungsmessstreifen-Rosetten konnten wir ein mechanisches Modell erstellen, um zu testen, wie die mechanischen Eigenschaften der Sensillen die Kraftmessungen bei Insekten beeinflussen können. Außerdem konnten wir mit Hilfe von Dehnungsmessstreifen-Rosetten auf dynamisch skalierten, robotischen Insektengliedern untersuchen, welche Belastungen zu bestimmten Zeitpunkten im Schrittzyklus auftreten. Die Ergebnisse zeigen, dass die Verwendung von mechanischen Modellen aus Harz die Viskoelastizität der Insektenkutikula gut wiedergibt. Es wird angenommen, dass die Viskoelastizität zu einer Anpassung der Belastungssensoren von Insekten führt, die deren charakteristische Überwachung von Kraftänderungen beeinflusst. Zu den weiteren Erkenntnissen gehört, dass beispielsweise die trochanteralen CS der Stabheuschrecken eher die Kraft sowohl in der vorderen als auch in der hinteren Extremposition eines Schrittes überwachen, während die homologen CS der Fruchtfliege die Kraft überwiegend nur in der vorderen Extremposition zu überwachen scheinen. Neben diesen eher biologisch relevanten Ergebnissen unterstreichen unsere Experimente auch die Relevanz von "nicht-traditionellen" Materialien für die Robotik. Harze weisen Materialeigenschaften auf, die für diesen Bereich von Vorteil sein können. Darüber hinaus kann die Implementierung einer reduzierten, insektenähnlichen Mechanik des Belastungssensors, wie z. B. eine nachgiebigere, höher exzentrische Komponente unter einem Dehnungsmessstreifen, zu detaillierteren Aufzeichnungen führen, die weniger Rechenleistung erfordern. Wir untersuchten außerdem die Tarsenstrukturen von Insekten in Robotern, den Zusatz von Kevlar in Robotergliedern und die Auswirkungen verschiedener Polymere auf die Dehnungsmessung. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass wir neurobiologische Erkenntnisse und Daten genutzt haben, um mechanische Modelle von Belastungssensoren von Insekten zu erstellen und diese in physiologischen Belastungsszenarien zu testen. Wir taten dies, weil die Untersuchung mechanischer Verformungen bei der Fruchtfliege schwierig ist, z. B. aufgrund der Größe und der Kraftdimension. Darüber hinaus verwendeten wir insektenähnliche Sensorpositionen in Roboterbeinen, um die verteilte Kräftemessung zu testen; wir setzten nicht-traditionelle Materialien für den Bau insektenähnlicher Roboterbeine ein und fügten diesen künstlichen Gliedmaßen nachgiebige Komponenten hinzu. Dies führte zu Robotorbeinen mit Viskoelastizität, gerichteter Kraftverstärkung und lokaler Berechnung der Kraft.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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The BRAIN Initiative Meeting, online, June 11-12, 2023. Abstract title: Trochanteral strain comparison in insects using dynamically scaled robotic legs.
W. P. Zyhowski, G. F. Dinges, C. A. Goldsmith & N. S. Szczecinski
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Society of Neuroscience Conference, San Diego, Nov 12-16th, 2022. Abstract title: Biomimetic strain sensors in fly-like robot legs.
Gesa F. Dinges, William Zyhowski, Clarissa Goldsmith & Nicholas Szczecinski
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Subsets of leg proprioceptors influence leg kinematics but not interleg coordination in Drosophila melanogaster walking. Journal of Experimental Biology, 225(20).
Chockley, Alexander S.; Dinges, Gesa F.; Di Cristina, Giulia; Ratican, Sara; Bockemühl, Till & Büschges, Ansgar
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15th Göttingen Meeting of the German Neuroscience Society, Göttingen, Ger., March 22-24, 2023. Abstract title: Drosophila Strain Sensors: From Morphology and Biomechanics to Function.
Gesa F. Dinges, William Zyhowski & Nicholas Szczecinski
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Biomimetic and Biohybrid Systems: Living Machines 2023 Conference, Genao, Italy, 2023. Abstract title: Effects of tarsal morphology on load feedback during stepping of robotic stick insect (Carausius morosus) limb.
Clarus Goldsmith, William Zyhowski, Ansgar Büschges, Sasha N. Zill, Gesa F. Dinges & Nicholas Szczecinski
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Biomimetic and Biohybrid Systems: Living Machines 2023 Conference, Genao, Italy, 2023. Comparison of Proximal Leg Strain in Locomotor Model Organisms Using Robotic legs.
Gesa Dinges, William Zyhowski, Clarus Goldsmith & Nicholas Szczecinski
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Comparison of Proximal Leg Strain in Locomotor Model Organisms Using Robotic Legs. Lecture Notes in Computer Science, 411-427. Springer Nature Switzerland.
Dinges, Gesa F.; Zyhowski, William P.; Goldsmith, C. A. & Szczecinski, Nicholas S.
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Effects of Tarsal Morphology on Load Feedback During Stepping of a Robotic Stick Insect (Carausius Morosus) Limb. Lecture Notes in Computer Science, 442-457. Springer Nature Switzerland.
Goldsmith, Clarus A.; Zyhowski, William P.; Büschges, Ansgar; Zill, Sasha N.; Dinges, Gesa F. & Szczecinski, Nicholas S.
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Lake Conference: Sensation and Action, Thun, Switzerland; May 7-11th, 2023. Abstract title: Biomimetic strain sensors as a tool to investigate load sensing in Drosophila legs.
Gesa F. Dinges, William Zyhowski & Nicholas Szczecinski
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Panel Discussion: Panellist at “From Animals To Robots: How Transatlantic Neuroscience Advances Engineering” at the German House, 871 UN Plaza, New York City. Nov. 7th, 2023
Ansgar Büschges, Roger D. Quinn, Hillel J. Chiel, Victoria Webster-Wood & Gesa F. Dinges
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Society of Experimental Biology Centenary Conference 2023, Edinburgh, UK, July 4-7, 2023. Abstract title: Biomimetic Strain Sensors Highlight the Relevance of Arrangement for Load Sensing.
Gesa F. Dinges, William Zyhowski & Nicholas Szczecinski
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Society of Neuroscience Conference, Washington, D.C., Nov 11-16th, 2023. Abstract title: The Effects of Variability in the Relative Arrangement of Mechanotransducive Sensors on Strain Processing.
Gesa F. Dinges & Nicholas Szczecinski
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Society of Neuroscience Conference, Washington, D.C., Nov 11-16th, 2023. Abstract title: Using a hexapod robotic model of Drosophila to investigate walking forces and strains.
Clarus Goldsmith, William Zyhowski, Moritz Haustein, Gesa F. Dinges, Ansgar Büschges & Nicholas Szczecinski
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The BRAIN Initiative Meeting, online, June 11-12, 2023. Abstract title: 3D-Resin Printed Campaniform sensilla as a Tool to Investigate Strain Sensing.
Gesa F. Dinges, William Zyhowski & Nicholas Szczecinski
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Mechanical modeling of mechanosensitive insect strain sensors as a tool to investigate exoskeletal interfaces. Bioinspiration & Biomimetics, 19(2), 026012.
Dinges, Gesa F.; Zyhowski, William P.; Lucci, Anastasia; Friend, Jordan & Szczecinski, Nicholas S.
