斯坦福“長(zhǎng)腿”無(wú)人機(jī)登Science子刊封面，按真鳥3D打印，能空中抓物樹上棲息
大數(shù)據(jù)文摘轉(zhuǎn)載自機(jī)器人大講堂
空中機(jī)器人在遙感、搜索、救援等方面獲得了廣泛應(yīng)用。然而，它們無(wú)法像小鳥一樣隨意而穩(wěn)定地降落在一個(gè)枝頭上，這成為制約其進(jìn)一步應(yīng)用的因素。
小鳥落在枝頭這一行為并不簡(jiǎn)單：每一個(gè)樹枝的形狀、材料、質(zhì)感等其實(shí)都不同。因此，著陸需要很強(qiáng)的敏捷性和協(xié)調(diào)性。
美國(guó)斯坦福大學(xué)工程師 Mark Cutkosky 和 David Lentink 實(shí)驗(yàn)室根據(jù)鳥類著陸的機(jī)制，研發(fā)了一種仿生機(jī)器人：其能在復(fù)雜表面上棲息，還能接住人拋出的不規(guī)則物體。
按真鳥 3D 打印，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)捕獲能力
“飛機(jī)、直升機(jī)、飛行汽車、空中機(jī)器人只能降落在專門的機(jī)場(chǎng)、直升機(jī)停機(jī)坪等上。而鳥類可以降落在任何地方，我們想開發(fā)可以實(shí)現(xiàn)這一能力的起落裝置。”David Lentink表示，由于能夠在空中棲息，四軸無(wú)人機(jī)可以在森林中進(jìn)行更長(zhǎng)時(shí)間的生態(tài)觀測(cè)，而不會(huì)在飛行中耗盡電量。這就大大增加了科學(xué)記錄的時(shí)間。
相關(guān)研究于近日在知名學(xué)術(shù)期刊《Science Robotics》上以封面論文形式發(fā)表。標(biāo)題為“Bird-inspired dynamic grasping and perching in arboreal environments”（樹棲環(huán)境中受鳥啟發(fā)的動(dòng)態(tài)抓取和棲息）。
幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)，科學(xué)家們一直在研究鳥類如何飛行。但直到最近，科學(xué)家才開始研究鳥類棲息的機(jī)制和行為。此前，研究人員對(duì)parrotlets（一種小型鸚鵡）的飛行進(jìn)行研究，他們用五臺(tái)高速攝像機(jī)記錄這些鸚鵡在一些大小材料不同的棲枝之間的飛行。這些棲枝帶有傳感器，能記錄鳥類著陸、棲息和起飛相關(guān)的機(jī)械力。
研究發(fā)現(xiàn)，小鳥在到達(dá)棲木之前會(huì)抬起身體并伸展腿腳。與棲木表面接觸后，小鳥控制腳趾力度來(lái)包裹和擠壓棲木，并抓住表面的微小粗糙點(diǎn)，這樣就不會(huì)滑倒。最后，小鳥在棲木上保持平衡，并在必要時(shí)調(diào)整它們的立足點(diǎn)。
論文第一作者Roderick表示，“我們驚訝的是，無(wú)論它們降落在什么表面，都進(jìn)行同樣的空中機(jī)動(dòng)?！薄八鼈冇媚_處理（棲木）表面紋理的可變性和復(fù)雜性?！?/span>
此項(xiàng)研究中，研究者根據(jù)鳥類飛行的研究，開發(fā)了用于空中機(jī)器人的自然啟發(fā)的定型的空中抓取器 (stereotyped nature-inspired aerial grasper，簡(jiǎn)稱SNAG)。與鳥類似，SNAG 利用定型、被動(dòng)和主動(dòng)控制行為跨越各種棲息地降落。
SNAG 將受鳥類啟發(fā)的機(jī)制整合到它的兩條腿中，在著陸時(shí)協(xié)同工作、抓住棲木。在著陸過程中，SNAG 會(huì)進(jìn)行平衡來(lái)穩(wěn)定自身，并安全地起飛。SNAG的“腿”的“骨頭”是一個(gè)迭代了20次的3D打印結(jié)構(gòu)，而“肌肉”和“肌腱”分別是馬達(dá)和釣魚線。馬達(dá)在每條腿上都有，用于控制移動(dòng)和處理抓握。該機(jī)器人腿部也有類似鳥類腳踝附近肌腱的機(jī)制吸收著陸沖擊能量，并將其被動(dòng)地轉(zhuǎn)換為抓握力。
該機(jī)器人有一個(gè)強(qiáng)大而迅速的離合器，它能在20毫秒內(nèi)觸發(fā)關(guān)閉。一旦纏繞在樹枝上，SNAG的腳踝就會(huì)鎖定，其右腳的加速度計(jì)會(huì)報(bào)告已著陸，并觸發(fā)平衡算法來(lái)進(jìn)行穩(wěn)定。
“帶爪”無(wú)人機(jī)飛入森林，能抓沙袋能接球
新冠疫情期間，Roderick將3D打印機(jī)等設(shè)備從斯坦福大學(xué)Lentink實(shí)驗(yàn)室搬到俄勒岡州農(nóng)村的一個(gè)地下室實(shí)驗(yàn)室。他將SNAG以特定速度和方向?qū)C(jī)器人發(fā)射到不同的表面，檢測(cè)其在各種場(chǎng)景的表現(xiàn)。該機(jī)器人還能抓到人拋出的物體，諸如獵物模型、網(wǎng)球等。
最后，Roderick還冒險(xiǎn)進(jìn)入附近的森林，將SNAG在現(xiàn)實(shí)中進(jìn)行一些測(cè)試?？傮w而言，SNAG 表現(xiàn)出色。研究者表示，這項(xiàng)研究最令人興奮的應(yīng)用之一是環(huán)境研究。Roderick在機(jī)器人上安裝了一個(gè)溫度和濕度傳感器來(lái)記錄俄勒岡州的小氣候。
由于該機(jī)器人可棲息，從而能節(jié)省能源。再配備太陽(yáng)能等可再生能源，它就可以棲息在樹上進(jìn)行充電，并進(jìn)行更長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)控。
可用于搜索、救援，讓無(wú)人機(jī)更省電
這種機(jī)器人在未來(lái)還能用于火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)、天氣模式監(jiān)測(cè)、野生動(dòng)物行為研究，甚至物理樣本采集。此外，這項(xiàng)研究還可助于鳥類生物學(xué)，諸如更深入地了解鳥類成功棲息的原因。
研究人員設(shè)計(jì)了兩種不同的腳趾排列的機(jī)器人?！癮nisodactyl”有三個(gè)前腳趾、一個(gè)后腳趾，像游隼，這也是最常見的鳥足布局；“zygodactyl”有兩個(gè)前腳趾、兩個(gè)后腳趾，像鸚鵡。不過，他們發(fā)現(xiàn)兩者之間的性能幾乎沒有差異，這表明這兩種安排對(duì)于棲息在樹枝上都是有效的。
提及下一步工作，研究者表示，他們將改進(jìn)其飛行控制和態(tài)勢(shì)感知，并提高對(duì)惡劣條件（如雨或雪）的魯棒性，使該機(jī)器人在自然環(huán)境中更好地表現(xiàn)。
Lentink表示，他們將開發(fā)可以參與 XPRIZE Rainforest 項(xiàng)目挑戰(zhàn)賽的機(jī)器人版本，其能監(jiān)測(cè)生物多樣性和氣候變化。
