Инженеры из Стэнфорда создали дрона с «птичьими лапами» — он может садиться на ветки и переносить предметы
В мире не существует двух одинаковых веток. Они могут различаться по размеру, форме и фактуре, некоторые могут быть мокрыми, покрытыми мхом или побегами. И все же птицы могут приземлиться практически на любую из них.
Эта способность вызвала большой интерес в лабораториях инженеров Стэнфордского университета Марка Каткоски и Дэвида Лентинка, которые сейчас работают в Университете Гронингена в Нидерландах. Они оба уже разрабатывали технологии, вдохновленные способностями животных.
«Нелегко имитировать то, как птицы летают и садятся на поверхности. После миллионов лет эволюции они делают взлет и посадку такими легкими, даже несмотря на всю сложность и разнообразие ветвей деревьев, которые можно найти в лесу»
Годы исследований роботов, вдохновленных животными, в лаборатории Каткоски и воздушных роботов, вдохновленных птицами, в лаборатории Лентинка позволили исследователям создать своего собственного птицеподобного дрона, подробно описанного в статье в журнале Science Robotics. Когда «лапы» прикреплены к квадрокоптеру, их «стереотипный воздушный захват», или SNAG, образует робота, который может летать, ловить и переносить предметы и садиться на различные поверхности.
Продемонстрировав потенциальную универсальность этой работы, исследователи использовали ее для сравнения различных типов расположения пальцев на лапах птиц и для измерения микроклимата в отдаленных лесах штата Орегон.
В предыдущих исследованиях попугаев крошечные птицы летали туда-обратно между специальными насестами, при этом их фиксировали пять высокоскоростных камер. На жердях, представляющих различные размеры и материалы, включая дерево, пену, наждачную бумагу и тефлон, также были датчики, улавливающие физические силы, связанные с приземлением, посадкой и взлетом птиц.
«Что нас удивило, так это то, что они выполняли одни и те же воздушные маневры, независимо от того, на какую поверхность они приземлялись. Они позволяют ногам справляться с изменчивостью и сложностью самой текстуры поверхности»
Это шаблонное поведение, наблюдаемое при приземлении каждой птицы, является причиной того, почему буква S в SNAG означает «стереотипный». Как и в случае с попугаями, SNAG одинаково подходит к каждой площадке. Но, чтобы учесть размер квадрокоптера, SNAG основан на ногах сапсана (хищная птица из семейства соколиных). Вместо костей он имеет структуру, напечатанную на 3D-принтере, для совершенствования которой потребовалось 20 попыток, а также моторы и леску, заменяющие мышцы и сухожилия.
У каждой ноги есть собственный двигатель для движения вперед и назад, а еще один — для захвата. Вдохновленный тем, как у птиц проходят сухожилия вокруг лодыжки, аналогичный механизм в ноге робота поглощает энергию удара при приземлении и пассивно преобразует ее в силу захвата. В результате робот имеет особенно прочную и высокоскоростную муфту, срабатывающую для включения за 20 миллисекунд. После обертывания ветки блокировка лодыжек SNAG и акселерометр на правой ноге сообщает, что робот приземлился, и запускает алгоритм балансировки для его стабилизации.
Во время пандемии коронавируса Родерик перевез оборудование, в том числе 3D-принтер, из лаборатории Лентинка в Стэнфорде в сельскую местность Орегона, где он организовал подвальную лабораторию для контролируемого тестирования. Там он отправил SNAG по рельсовой системе, которая запускала робота по разным поверхностям, с заданной скоростью и ориентацией, чтобы увидеть, как он работает в различных сценариях.
Установив SNAG на место, Родерик также подтвердил способность робота ловить предметы, брошенные рукой, в том числе манекен для добычи, мешок для кукурузных бобов и теннисный мяч. Наконец, Родерик и SNAG рискнули отправиться в ближайший лес для нескольких пробных запусков в реальном мире.
В целом, SNAG работал настолько хорошо, что следующие шаги в разработке, вероятно, будут сосредоточены на том, что происходит перед посадкой — например, на улучшении ситуационной осведомленности и управления полетом робота.
У этого роботизированного устройства есть бесчисленное множество возможных применений, включая поисково-спасательные операции и мониторинг лесных пожаров. Его также можно использовать с другими технологиями, кроме дронов. Близость SNAG к птицам позволяет получить уникальное представление о птичьей биологии.
Например, исследователи управляли роботом с двумя разными расположениями пальцев ног — анизодактилем, у которого три пальца спереди и один сзади, как у сапсана, и зигодактилем, у которого два пальца спереди и два сзади, как у попугая. К своему удивлению они обнаружили, что разница в производительности между ними очень мала.
Для Родерика, родители которого оба являются биологами, одно из наиболее интересных применений SNAG — это исследования окружающей среды. С этой целью исследователи также прикрепили к роботу датчик температуры и влажности, который Родерик использовал для записи микроклимата в Орегоне.
«Частично основная мотивация этой работы заключалась в создании инструментов, которые мы могли бы использовать для изучения мира природы. Если бы у нас был робот, который мог бы действовать как птица, он открыл бы совершенно новые способы изучения окружающей среды»
Лентинк, который является старшим автором статьи, высоко оценил настойчивость Родерика в этом проекте, рассчитанном на годы.
«На самом деле Уилл, который беседовал с несколькими экологами в Беркли шесть лет назад, а затем писал свою работу для стипендии NSF о размещении воздушных роботов для мониторинга окружающей среды, положил начало этому исследованию. Исследование Уилла оказалось своевременным, потому что теперь на решение этой задачи по мониторингу биоразнообразия тропических лесов XPRIZE выделил сумму в размере $10 млн»
