工程师创造栖息的鸟状机器人

斯坦福工程师创造栖息的鸟状机器人
斯坦福工程师根据鸟类研究开发的抓取机器人

就像雪花一样,没有两个分支是一样的。它们的大小、形状和质地可能不同;有些可能潮湿或长满苔藓或长出枝条。然而,鸟类几乎可以降落在它们中的任何一个上。这种能力引起了斯坦福大学工程师 Mark Cutkosky 和 ​​David Lentink 的实验室的极大兴趣——他们现在在荷兰格罗宁根大学——他们都开发了受动物能力启发的技术。

“模仿鸟类的飞行和栖息方式并不容易,”威廉罗德里克博士说。’20,他是两个实验室的研究生。“经过数百万年的进化,它们使起飞和着陆看起来如此简单,即使在您在森林中会发现的所有树枝的复杂性和可变性中也是如此。”

多年来对 Cutkosky 实验室中受动物启发的机器人和Lentink 实验室中受鸟类启发的空中机器人进行的研究使研究人员能够构建自己的栖息机器人,详细信息在 12 月 1 日发表在Science Robotics 上的一篇论文中。当连接到四旋翼无人机时,他们的“刻板的自然启发空中抓取器”或 SNAG 形成了一个机器人,可以四处飞行、捕捉和携带物体并栖息在各种表面上。研究人员展示了这项工作的潜在多功能性,用它来比较不同类型的鸟脚趾排列并测量俄勒冈州偏远森林中的小气候。

森林里的鸟机器人

在研究人员之前对鹦鹉(第二小的鹦鹉物种)的研究中,这些小型鸟类在特殊栖息地之间来回飞翔,同时被五台高速摄像机记录下来。栖息地——代表各种尺寸和材料,包括木材、泡沫、砂纸和特氟龙——还包含传感器,可以捕捉与鸟类着陆、栖息和起飞相关的物理力。

该论文的第一作者罗德里克说:“让我们感到惊讶的是,无论他们降落在什么表面,他们都进行了相同的空中机动。” “它们让脚处理表面纹理本身的可变性和复杂性。” 这种在每次鸟类着陆时都会看到的公式化行为就是 SNAG 中的“S”代表“定型”的原因。

就像鹦鹉一样,SNAG 以相同的方式接近每一次着陆。但是,为了说明四轴飞行器的尺寸,SNAG 是基于游隼的腿。代替骨骼,它有一个 3D 打印结构——经过 20 次迭代才完善——以及马达和钓鱼线替代肌肉和肌腱。

每条腿都有自己的马达来回移动,另一个来处理抓握。受鸟类脚踝周围肌腱的启发,机器人腿部的类似机制吸收着陆冲击能量并将其被动转换为抓握力。结果是机器人有一个特别强大和高速的离合器,可以在 20 毫秒内触发关闭。一旦缠绕在树枝上,SNAG 的脚踝就会锁定,右脚上的加速度计会报告机器人已经着陆并触发平衡算法以稳定它。

在 COVID-19 期间,罗德里克将包括 3D 打印机在内的设备从 Lentink 在斯坦福大学的实验室搬到俄勒冈州农村,在那里他建立了一个地下室实验室进行受控测试。在那里,他将 SNAG 沿着轨道系统发送,该系统以预定义的速度和方向将机器人发射到不同的表面,以查看它在各种场景中的表现。将 SNAG 固定到位后,罗德里克还证实了该机器人能够捕捉用手抛出的物体,包括一个猎物假人、一个玉米洞豆袋和一个网球。最后,罗德里克和 SNAG 冒险进入附近的森林,在现实世界中进行一些试运行。

总体而言,SNAG 的表现如此出色,以至于下一步的开发可能会专注于着陆前发生的事情,例如提高机器人的态势感知和飞行控制。

回归大自然

这个机器人有无数可能的应用,包括搜救和野火监测;它也可以附加到无人机以外的技术上。SNAG 与鸟类的亲近也让我们对鸟类生物学有了独特的见解。例如,研究人员用两种不同的脚趾排列来运行机器人——anisodactyl,它有三个脚趾,前面有一个脚趾,就像游隼;zygodactyl,有两个脚趾在前面,两个脚趾在后面,就像鹦鹉一样。令他们惊讶的是,他们发现两者之间的性能差异很小。

对于父母都是生物学家的罗德里克来说,SNAG 最令人兴奋的应用之一是环境研究。为此,研究人员还在机器人上安装了一个温度和湿度传感器,罗德里克用它来记录俄勒冈州的小气候。

“这项工作的部分潜在动机是创造我们可以用来研究自然世界的工具,”罗德里克说。“如果我们能拥有一个可以像鸟一样行动的机器人,那将开启研究环境的全新方式。”

该论文的资深作者 Lentink 赞扬了 Roderick 对这个长达数年的项目的坚持。Lentink 说:“确实是 Will 六年前与伯克利的几位生态学家交谈,然后撰写了他的 NSF 奖学金,关于栖息的空中机器人进行环境监测,从而启动了这项研究。” “事实证明,Will 的研究是及时的,因为现在有 1000 万美元的 XPRIZE 用于应对监测雨林生物多样性的挑战。”

本文为作者 胡慧 独立观点,并不代表 我是CIO 立场。

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