斯坦福工程师打造鸟型机器人：精准栖息技术突破
如同雪花无两片相同，树枝亦无两根完全一样。它们在尺寸、形状、纹理上各异；有的湿润、长苔、或布满分叉。鸟类却能落脚几乎所有树枝。这种能力深深吸引了斯坦福大学Mark Cutkosky与David Lentink(现任职于荷兰格罗宁根大学)两大实验室，两者均致力于开发受动物能力启发的技术。
“模仿鸟类飞行与栖息并不容易，”William Roderick博士(2020届，曾在两实验室攻读研究生)说，“经历数百万年进化，鸟类让起飞降落看似轻而易举，即使面对森林中形形色色的树枝。”
Cutkosky实验室多年动物启发机器人研究与Lentink实验室鸟启发空中机器人研究，使研究者构建了自有栖息机器人。安装于四旋翼无人机上，其“刻板自然启发空中抓取器”(SNAG)形成可飞行、捕捉搬运物体、栖息于各种表面的机器人。展示该工作多功能潜力，研究者用它对比不同鸟趾排列、测量俄勒冈偏远森林微气候。
此前对鹦鹉鹀(第二小鹦鹉物种)研究中，小鸟在特制栖木间往返飞行，五台高速摄像机记录。栖木涵盖多种尺寸材质(木材、泡沫、砂纸、特氟龙)，内置传感器捕捉鸟类降落、栖息、起飞相关物理力。
“惊讶的是，无论落何种表面，它们执行相同空中机动，”Roderick说，他是论文第一作者。“它们让双脚处理表面纹理本身的变异与复杂性。”这种每次降落都出现的程式化行为，正是SNAG中“S”(stereotyped/刻板)的由来。
如鹦鹉鹀般，SNAG每次降落采用相同方式。但为适配四旋翼尺寸，SAN基于游隼腿部设计。以3D打印结构(经20轮迭代完善)替代骨骼，电机与鱼线替代肌肉肌腱。
每条腿有独立电机控制前后摆动与抓握。受鸟类肌腱绕踝路由启发，机器人腿部类似机制吸收着陆冲击能量并被动转化为抓握力。结果是机器人拥有极强高速离合器，可在20毫秒内触发闭合。缠绕树枝后，SNAG踝关节锁定，右脚加速度计报告着陆并触发平衡算法稳定机身。
COVID-19期间，Roderick将设备(含3D打印机)从斯坦福Lentink实验室搬至俄勒冈农村地下室搭建可控测试环境。他沿轨道系统以预设速度/朝向发射SNAG撞击不同表面，测试各场景表现。固定SNAG后，他也验证了手抛物体捕捉能力：猎物假人、沙包、网球。最后Roderick带SNAG进入附近森林实测。
总体SNAG表现优异，后续开发将聚焦着陆前环节：提升机器人态势感知与飞行控制。
应用前景
该机器人潜在应用无数：搜救、山火监测；也可安装于无人机外其他技术。SNAG与鸟类亲和性带来鸟类学独特洞见。例如研究者以两种趾排列运行机器人——跗趾型(三前一后，如游隼)与对趾型(两前两后，如鹦鹉鹀)。惊讶发现两者性能差异极小。
父母均为生物学家的Roderick认为，SNAG最令人兴奋的潜在应用在于环境研究。为此研究者给机器人加装温湿度传感器，Roderick用其记录俄勒冈微气候。
“这项工作底层动力是创造工具研究自然世界，”Roderick说，“若我们能拥有表现如鸟的机器人，将解锁全新环境研究方式。”
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