斯坦福工程师创造栖息的鸟状机器人

就像雪花一样，没有两根树枝是一样的。它们的大小、形状和质地可能不同；有些可能是湿的或长满苔藓的或长满了枝条。然而鸟类几乎可以降落在其中任何一个上。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。

“模仿鸟类如何飞行和栖息并不容易，”20 岁的威廉·罗德里克 (William Roderick) 博士说，他是两个实验室的研究生。 “经过数百万年的进化，它们让起飞和降落看起来如此轻松，即使在森林中树枝的所有复杂性和多变性中也是如此。”

Cutkosky 实验室对动物启发机器人和 Lentink 实验室对鸟类启发的空中机器人的多年研究使研究人员能够建造自己的栖息机器人。当连接到四轴无人机时，他们的“受自然启发的刻板印象空中抓取器”或 SNAG 会形成一个机器人，可以飞来飞去、捕捉和携带物体并栖息在各种表面上。展示了这项工作的潜在多功能性，研究人员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的小气候。

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的栖息地之间来回飞行，同时被五个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、砂纸和铁氟龙——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。

“令我们感到惊讶的是，无论他们降落在什么表面上，他们都进行了相同的空中机动，”该论文的第一作者罗德里克说。 “他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出现的公式化行为就是为什么 SNAG 中的“S”代表“刻板印象”。

就像鹦鹉一样，SNAG 以相同的方式接近每个着陆点。但是，为了说明四轴飞行器的大小，SNAG 是基于游隼的腿。代替骨头的是 3D 打印的结构——经过 20 次迭代才完美——马达和钓鱼线代替了肌肉和肌腱。

每条腿都有自己的电机来回移动，另一个用于抓握。受鸟类脚踝周围肌腱路径的启发，机器人腿部的类似机制吸收着陆冲击能量并将其被动地转化为抓握力。结果是机器人有一个特别强大的高速离合器，可以在 20 毫秒内触发关闭。一旦缠绕在树枝上，SNAG 的脚踝锁定和右脚上的加速度计会报告机器人已着陆并触发平衡算法以使其稳定。

在 COVID-19 期间，Roderick 将包括 3D 打印机在内的设备从斯坦福大学的 Lentink 实验室搬到了俄勒冈州农村，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 发送到一个轨道系统上，该系统以预定的速度和方向在不同的表面发射机器人，以查看它在各种场景中的表现。在 SNAG 固定到位后，Roderick 还证实了该机器人能够捕捉用手投掷的物体，包括一个猎物假人、一个玉米洞豆袋和一个网球。最后，Roderick 和 SNAG 冒险进入附近的森林，在现实世界中进行了一些试运行。

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

应用程序

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 与鸟类的接近也让我们对鸟类生物学有了独特的见解。例如，研究人员使用两种不同的脚趾排列来运行机器人——anisodactyl，它有三个脚趾在前面，一个脚趾在后面，就像一只游隼，而zygodactyl，它有两个脚趾在前面，两个脚趾在后面，就像一只鹦鹉。令他们惊讶的是，他们发现两者之间的性能差异非常小。

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温度和湿度传感器，Roderick 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。 “如果我们能有一个像鸟一样行动的机器人，那将开启研究环境的全新方法。”