【這架無人機有“腳”!科學家開發出機器鳥】世界上沒有兩片相同的雪花,樹枝亦然。樹枝的大小、形狀和紋理各不相同,有些可能是濕的,有的布滿苔蘚,有的長滿枝丫。然而,鳥類幾乎可以在任何一種樹枝上停落。這種能力引起了美國斯坦福大學工程師Mark Cutkosky和David Lentink的極大興趣。

“要模仿鳥類如何飛翔和棲息並不容易。”這兩個實驗室的博士研究生William Roderick說,“經過數百萬年的進化,鳥類讓起飛和降落看起來如此容易,即便在森林中那些複雜和多變的樹枝上也是如此。”

Cutkosky實驗室、Lentink實驗室多年來對動物特別是鳥類仿生的研究,使得製造一個棲息機器人成為可能。近日,發表於《科學—機器人》的一篇論文http://t.cn/A6xWR8tY 詳細介紹了這一成果。

當被安裝在四軸無人機上時,“受自然啟發的空中抓取器”(SNAG)就會變成一個機器人。它可以四處飛行、抓握和攜帶物體,並棲息在各種表面上。為顯示這項工作的潛在多樣性,研究人員用它來比較不同類型的鳥類腳趾排列,並測量俄勒岡州偏遠森林的小氣候。

此前,研究人員曾對體型第二小的鸚鵡物種進行過研究。這種小巧的鳥在特殊的“棲木”之間來回飛行,並被5台高速攝像機記錄下來。這些棲木代表了各種形狀和材料——木材、泡沫、砂紙和聚四氟乙烯,它們同時還安裝了傳感器,用以捕捉與鳥類著陸、棲息和起飛相關的物理量。

“讓我們驚訝的是,不管降落於什麼表面,鸚鵡的空中動作都是一樣的。”論文主要作者Roderick說,“它們的腳能夠處理表面紋理的多樣性和複雜性。”

就像鸚鵡一樣,SNAG每次降落的方式都是一樣的。但是,考慮到四軸無人機的尺寸,SNAG參考了遊隼的腿。代替骨頭的是3D打印的結構——它經過20次迭代才變得如此完美,此外,馬達和釣魚線代替了肌肉和肌腱。

受鳥類踝關節周圍肌腱運動方式的啟發,機器人腿部的一個類似裝置吸收著陸衝擊能量,並將其轉化為抓取力。具體來說,機器人擁有一個高速離合器,可以在20毫秒內觸發關閉。一旦纏繞在樹枝上,SNAG的腳踝就會鎖定,右腳上的加速度計同時會報告機器人已經著陸,並觸發平衡算法來穩定它。

新冠疫情期間,Roderick將設備從實驗室搬到了俄勒岡州的農村,他在那里建立了一個地下實驗室,進行受控測試。他以預定的速度和方向將SNAG送到不同的表面,觀察其在不同場景下的表現。Roderick也證實了機器人捕捉物體(比如網球)的能力。最後,Roderick還帶著SNAG進入了森林,在現實世界中進行了一些試運行。

總體來說,SNAG表現得非常好,因此下一步的開發可能會集中在著陸前,改進機器人的態勢感知和飛行控制。

這個機器人有無數可能的應用,比如搜索、救援以及野火監測,它還可以用於無人機以外的其他技術。SNAG對鳥類的仿生也讓人們對鳥類生物學有了新了解。例如,研究人員用兩種不同的腳趾排列方式來運行機器人,一種是像遊隼一樣,3個腳趾在前,1個腳趾在後;另一種是像鸚鵡一樣,兩個腳趾在前,兩個腳趾在後。令人驚訝的是,這兩種方式的性能差別很小。

Roderick的父母都是生物學家,對他來說,SNAG最令人興奮的潛在應用之一是環境研究。研究人員在機器人身上安裝了一個溫度和濕度傳感器,用它記錄俄勒岡州的小氣候。

“這項工作的部分潛在動機是創造用於研究自然的工具。”Roderick說,“如果我們有一個能像鳥一樣行動的機器人,就可能解鎖研究環境的全新方式。”http://t.cn/A6xWR8tT

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