Інженери зі Стенфорда створили дрона з «пташиними лапами» — він може сідати на гілки й переносити предмети
У світі не існує двох однакових гілок. Вони можуть відрізнятися за розміром, формою та фактурою, деякі можуть бути мокрими, покритими мохом або пагонами. І все ж птахи можуть приземлитися практично на будь-яку з них.
Ця здатність викликала великий інтерес у лабораторіях інженерів Стенфордського університету Марка Каткоскі та Дейвіда Лентінка, які зараз працюють в Університеті Гронінгена в Нідерландах. Вони обидва вже розробляли технології, натхненні здібностями тварин.
«Нелегко імітувати те, як птахи літають і сідають на поверхні. Після мільйонів років еволюції вони роблять злет і посадку такими легкими, навіть попри всю складність і різноманіття гілок дерев, які можна знайти в лісі»
Роки досліджень роботів, натхнених тваринами, у лабораторії Каткоскі та повітряних роботів, натхнених птахами, у лабораторії Лентінка дозволили дослідникам створити власного птахоподібного дрона, детально описаного в статті в журналі Science Robotics. Коли «лапи» прикріплені до квадрокоптера, їхній «стереотипний повітряний захват», або SNAG, утворює робота, який може літати, ловити й переносити предмети та сідати на різні поверхні.
Продемонструвавши потенційну універсальність цієї роботи, дослідники використали її для порівняння різних типів розташування пальців на лапах птахів і для вимірювання мікроклімату у віддалених лісах штату Орегон.
У попередніх дослідженнях папуг крихітні птахи літали туди-сюди між спеціальними жердинами, при цьому їх фіксували п'ять високошвидкісних камер. На жердинах, що мають різні розміри та матеріали, включно з деревом, піною, наждачним папером і тефлоном, також були датчики, які вловлювали фізичні сили, пов'язані з приземленням, посадкою та злетом птахів.
«Що нас здивувало, так це те, що вони виконували ті самі повітряні маневри незалежно від того, на яку поверхню приземлялися. Вони дозволяють ногам упоратися зі змінністю та складністю самої текстури поверхні»
Це стереотипна поведінка, що спостерігається під час приземлення кожного птаха, є причиною того, чому літера S у SNAG означає «стереотипний». Як і у випадку з папугами, SNAG однаково підходить до кожного майданчика. Але, щоб врахувати розмір квадрокоптера, SNAG базується на ногах сокола-сапсана (хижий птах з родини соколиних). Замість кісток він має структуру, надруковану на 3D-принтері, для вдосконалення якої знадобилося 20 спроб, а також мотори й волосінь, які замінюють м'язи та сухожилля.
Кожна нога має власний двигун для руху вперед і назад, а ще один — для захвату. Натхнений тим, як у птахів проходять сухожилля навколо гомілковостопного суглоба, подібний механізм у нозі робота поглинає енергію удару під час приземлення і пасивно перетворює її на силу захвату. У результаті робот має особливо міцну й високошвидкісну муфту, що спрацьовує для ввімкнення за 20 мілісекунд. Після обхоплення гілки блокування щиколоток SNAG і акселерометр на правій нозі повідомляють, що робот приземлився, і запускають алгоритм балансування для його стабілізації.
Під час пандемії коронавірусу Родерік перевіз обладнання, зокрема 3D-принтер, з лабораторії Лентінка в Стенфорді в сільську місцевість Орегона, де організував підвальну лабораторію для контрольованого тестування. Там він відправляв SNAG рейковою системою, яка запускала робота по різних поверхнях із заданою швидкістю та орієнтацією, щоб побачити, як він працює в різних сценаріях.
Встановивши SNAG на місце, Родерік також підтвердив здатність робота ловити предмети, кинуті рукою, зокрема манекен для добичі, мішечок з кукурудзяними бобами та тенісний м'яч. Нарешті, Родерік і SNAG наважилися вирушити в найближчий ліс для кількох пробних запусків у реальному світі.
Загалом SNAG працював настільки добре, що наступні кроки в розробці, імовірно, зосередяться на тому, що відбувається перед посадкою — наприклад, на покращенні ситуаційної обізнаності та керування польотом робота.
Цей роботизований пристрій має безліч можливих застосувань, зокрема пошуково-рятувальні операції та моніторинг лісових пожеж. Його також можна використовувати з іншими технологіями, окрім дронів. Близькість SNAG до птахів дозволяє отримати унікальне уявлення про біологію птахів.
Наприклад, дослідники керували роботом із двома різними розташуваннями пальців ніг — анізодактилем, у якого три пальці спереду і один ззаду, як у сапсана, та зигодактилем, у якого два пальці спереду і два ззаду, як у папуги. На своє здивування, вони виявили, що різниця в продуктивності між ними дуже мала.
Для Родеріка, батьки якого обидва є біологами, одним із найцікавіших застосувань SNAG є дослідження довкілля. З цією метою дослідники також прикріпили до робота датчик температури та вологості, який Родерік використовував для запису мікроклімату в Орегоні.
«Частково основна мотивація цієї роботи полягала у створенні інструментів, які ми могли б використовувати для вивчення природного світу. Якби у нас був робот, який міг би діяти як птах, він відкрив би зовсім нові способи вивчення довкілля»
Лентінк, який є старшим автором статті, високо оцінив наполегливість Родеріка в цьому проєкті, розрахованому на роки.
«Насправді Вілл, який шість років тому спілкувався з кількома екологами в Берклі, а потім писав свою роботу для стипендії NSF про розміщення повітряних роботів для моніторингу довкілля, поклав початок цьому дослідженню. Дослідження Вілла виявилося своєчасним, адже тепер на розв'язання цього завдання з моніторингу біорізноманіття тропічних лісів XPRIZE виділив суму в розмірі $10 млн»
