這架無(wú)人機(jī)有“腳”！科學(xué)家開(kāi)發(fā)出機(jī)器鳥
世界上沒(méi)有兩片相同的雪花，樹(shù)枝亦然。樹(shù)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(zhǎng)滿枝丫。然而，鳥類幾乎可以在任何一種樹(shù)枝上停落。這種能力引起了美國(guó)斯坦福大學(xué)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并不容易�！边@兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室的博士研究生William Roderick說(shuō)，“經(jīng)過(guò)數(shù)百萬(wàn)年的進(jìn)化，鳥類讓起飛和降落看起來(lái)如此容易，即便在森林中那些復(fù)雜和多變的樹(shù)枝上也是如此�！�
Cutkosky實(shí)驗(yàn)室、Lentink實(shí)驗(yàn)室多年來(lái)對(duì)動(dòng)物特別是鳥類仿生的研究，使得制造一個(gè)棲息機(jī)器人成為可能。近日，發(fā)表于《科學(xué)—機(jī)器人》的一篇論文詳細(xì)介紹了這一成果。
當(dāng)被安裝在四軸無(wú)人機(jī)上時(shí)，“受自然啟發(fā)的空中抓取器”(SNAG)就會(huì)變成一個(gè)機(jī)器人。它可以四處飛行、抓握和攜帶物體，并棲息在各種表面上。為顯示這項(xiàng)工作的潛在多樣性，研究人員用它來(lái)比較不同類型的鳥類腳趾排列，并測(cè)量俄勒岡州偏遠(yuǎn)森林的小氣候。
此前，研究人員曾對(duì)體型第二小的鸚鵡物種進(jìn)行過(guò)研究。這種小巧的鳥在特殊的“棲木”之間來(lái)回飛行，并被5臺(tái)高速攝像機(jī)記錄下來(lái)。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(shí)還安裝了傳感器，用以捕捉與鳥類著陸、棲息和起飛相關(guān)的物理量。
“讓我們驚訝的是，不管降落于什么表面，鸚鵡的空中動(dòng)作都是一樣的�！闭撐闹饕髡逺oderick說(shuō)，“它們的腳能夠處理表面紋理的多樣性和復(fù)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(wú)人機(jī)的尺寸，SNAG參考了游隼的腿。代替骨頭的是3D打印的結(jié)構(gòu)——它經(jīng)過(guò)20次迭代才變得如此完美，此外，馬達(dá)和釣魚線代替了肌肉和肌腱。
受鳥類踝關(guān)節(jié)周圍肌腱運(yùn)動(dòng)方式的啟發(fā)，機(jī)器人腿部的一個(gè)類似裝置吸收著陸沖擊能量，并將其轉(zhuǎn)化為抓取力。具體來(lái)說(shuō)，機(jī)器人擁有一個(gè)高速離合器，可以在20毫秒內(nèi)觸發(fā)關(guān)閉。一旦纏繞在樹(shù)枝上，SNAG的腳踝就會(huì)鎖定，右腳上的加速度計(jì)同時(shí)會(huì)報(bào)告機(jī)器人已經(jīng)著陸，并觸發(fā)平衡算法來(lái)穩(wěn)定它。
新冠疫情期間，Roderick將設(shè)備從實(shí)驗(yàn)室搬到了俄勒岡州的農(nóng)村，他在那里建立了一個(gè)地下實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行受控測(cè)試。他以預(yù)定的速度和方向?qū)NAG送到不同的表面，觀察其在不同場(chǎng)景下的表現(xiàn)。Roderick也證實(shí)了機(jī)器人捕捉物體(比如網(wǎng)球)的能力。最后，Roderick還帶著SNAG進(jìn)入了森林，在現(xiàn)實(shí)世界中進(jìn)行了一些試運(yùn)行。
總體來(lái)說(shuō)，SNAG表現(xiàn)得非常好，因此下一步的開(kāi)發(fā)可能會(huì)集中在著陸前，改進(jìn)機(jī)器人的態(tài)勢(shì)感知和飛行控制。
這個(gè)機(jī)器人有無(wú)數(shù)可能的應(yīng)用，比如搜索、救援以及野火監(jiān)測(cè)，它還可以用于無(wú)人機(jī)以外的其他技術(shù)。SNAG對(duì)鳥類的仿生也讓人們對(duì)鳥類生物學(xué)有了新了解。例如，研究人員用兩種不同的腳趾排列方式來(lái)運(yùn)行機(jī)器人，一種是像游隼一樣，3個(gè)腳趾在前，1個(gè)腳趾在后；另一種是像鸚鵡一樣，兩個(gè)腳趾在前，兩個(gè)腳趾在后。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(xué)家，對(duì)他來(lái)說(shuō)，SNAG最令人興奮的潛在應(yīng)用之一是環(huán)境研究。研究人員在機(jī)器人身上安裝了一個(gè)溫度和濕度傳感器，用它記錄俄勒岡州的小氣候。
“這項(xiàng)工作的部分潛在動(dòng)機(jī)是創(chuàng)造用于研究自然的工具�！盧oderick說(shuō)，“如果我們有一個(gè)能像鳥一樣行動(dòng)的機(jī)器人，就可能解鎖研究環(huán)境的全新方式�！�
