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这架无人机有“脚”!科学家开发出机器鸟

来源:中国科学报2021-12-07 10:36

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这架无人机有“脚”!科学家开发出机器鸟

图片来源:《科学》

  世界上没有两片相同的雪花,树枝亦然。树枝的大小、形状和纹理各不相同,有些可能是湿的,有的布满苔藓,有的长满枝丫。然而,鸟类几乎可以在任何一种树枝上停落。这种能力引起了美国斯坦福大学工程师Mark Cutkosky和David Lentink的极大兴趣。

  “要模仿鸟类如何飞翔和栖息并不容易。”这两个实验室的博士研究生William Roderick说,“经过数百万年的进化,鸟类让起飞和降落看起来如此容易,即便在森林中那些复杂和多变的树枝上也是如此。”

  Cutkosky实验室、Lentink实验室多年来对动物特别是鸟类仿生的研究,使得制造一个栖息机器人成为可能。近日,发表于《科学—机器人》的一篇论文详细介绍了这一成果。

  当被安装在四轴无人机上时,“受自然启发的空中抓取器”(SNAG)就会变成一个机器人。它可以四处飞行、抓握和携带物体,并栖息在各种表面上。为显示这项工作的潜在多样性,研究人员用它来比较不同类型的鸟类脚趾排列,并测量俄勒冈州偏远森林的小气候。

  此前,研究人员曾对体型第二小的鹦鹉物种进行过研究。这种小巧的鸟在特殊的“栖木”之间来回飞行,并被5台高速摄像机记录下来。这些栖木代表了各种形状和材料——木材、泡沫、砂纸和聚四氟乙烯,它们同时还安装了传感器,用以捕捉与鸟类着陆、栖息和起飞相关的物理量。

  “让我们惊讶的是,不管降落于什么表面,鹦鹉的空中动作都是一样的。”论文主要作者Roderick说,“它们的脚能够处理表面纹理的多样性和复杂性。”

  就像鹦鹉一样,SNAG每次降落的方式都是一样的。但是,考虑到四轴无人机的尺寸,SNAG参考了游隼的腿。代替骨头的是3D打印的结构——它经过20次迭代才变得如此完美,此外,马达和钓鱼线代替了肌肉和肌腱。

  受鸟类踝关节周围肌腱运动方式的启发,机器人腿部的一个类似装置吸收着陆冲击能量,并将其转化为抓取力。具体来说,机器人拥有一个高速离合器,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,右脚上的加速度计同时会报告机器人已经着陆,并触发平衡算法来稳定它。

  新冠疫情期间,Roderick将设备从实验室搬到了俄勒冈州的农村,他在那里建立了一个地下实验室,进行受控测试。他以预定的速度和方向将SNAG送到不同的表面,观察其在不同场景下的表现。Roderick也证实了机器人捕捉物体(比如网球)的能力。最后,Roderick还带着SNAG进入了森林,在现实世界中进行了一些试运行。

  总体来说,SNAG表现得非常好,因此下一步的开发可能会集中在着陆前,改进机器人的态势感知和飞行控制。

  这个机器人有无数可能的应用,比如搜索、救援以及野火监测,它还可以用于无人机以外的其他技术。SNAG对鸟类的仿生也让人们对鸟类生物学有了新了解。例如,研究人员用两种不同的脚趾排列方式来运行机器人,一种是像游隼一样,3个脚趾在前,1个脚趾在后;另一种是像鹦鹉一样,两个脚趾在前,两个脚趾在后。令人惊讶的是,这两种方式的性能差别很小。

  Roderick的父母都是生物学家,对他来说,SNAG最令人兴奋的潜在应用之一是环境研究。研究人员在机器人身上安装了一个温度和湿度传感器,用它记录俄勒冈州的小气候。

  “这项工作的部分潜在动机是创造用于研究自然的工具。”Roderick说,“如果我们有一个能像鸟一样行动的机器人,就可能解锁研究环境的全新方式。”(文乐乐)

  相关论文信息:

  https://doi.org/10.1126/scirobotics.abj7562

[ 责编:赵宇豪 ]
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