Группа исследователей из университета штата Аризона создала робоноги, которые впервые, по мнению разработчиков, детально моделируют биофизические особенности движения человека. Ключевым отличием этих робоног является подход к программированию кинематики, основанный на создании аналога биологического генератора шагательных движений с обратной связью.

У человека и других млекопитающих в спинном мозге существуют функциональные образования, представляющие собой нейронные подсети с большой долей автоматизма. Одна из таких структур, расположенных в области поясничного утолщения, называется генератор шагательных движений (ГШД, или сentral pattern generator – CPG в англоязычной литературе). В нём генерируются нервные импульсы, задающие ритм и обеспечивающие координированную последовательность движений нижних конечностей.

Благодаря наличию ГШД люди могут не думать о процессе ходьбы, а грудные дети при удерживании за руки в вертикальном положении и касании опоры совершают характерные движения ногами ещё до того как научатся стоять.

В работе использована простейшая имитация ГШД, которую выполняют электронные аналоги двух мотонейронов. Они генерируют импульсы поочерёдно, задавая ритм движения. Механизм обратной связи обеспечивается за счёт сенсоров, расположенных в различных частях робо-ноги. Их задача имитировать тактильные и проприорецепторы человека для отслеживания момента касания опоры и изменения положения.

Получившийся стиль походки робоног ближе всего соответствует таковому у детей, только что научившихся ходить.

Частично это обусловлено тем, что одной из решаемых в ходе исследования задач было изучение процесса обучению ходьбе и формирования стереотипов движений в раннем возрасте.

Разработчики считают, что несмотря на массу упрощений в имитации мышц нижних конечностей, их иннервации и васкуляризации, созданные робоноги могут послужить точной моделью во многих областях медицины и в робототехнике. Они помогут в изучении биомеханики, разработке методов выявления и лечения нарушений опорно-двигательного аппарата и при создании более совершенных протезов.

Оригинальная статья “Физическая модель сенсомоторных взаимодействий во время движения” была опубликована в журнале «Неврологическая инженерия».