斯坦福工程师打造“鸟爪”无人机，可栖息树枝并搬运物体
世界上不存在两根完全相同的树枝。它们在粗细、形状和质地上各不相同，有些可能潮湿，覆盖着苔藓或嫩芽。然而，鸟儿几乎能落在任何一根树枝上。
这种能力引起了斯坦福大学工程师马克·卡特科斯基和大卫·伦廷克实验室的浓厚兴趣，两人目前在荷兰格罗宁根大学工作。他们此前都已开发出受动物能力启发的技术。
“模仿鸟类飞行和在表面着陆的方式并不容易。经过数百万年的进化，即便面对森林中树枝错综复杂、千变万化的形态，它们的起飞和降落依然显得十分轻松”
多年来，卡特科斯基实验室研究受动物启发的机器人，伦廷克实验室研究受鸟类启发的空中机器人，使研究人员得以开发出自己的仿鸟无人机，相关细节发表于《Science Robotics》期刊。当“爪子”安装在四旋翼飞行器上时，其“刻板式空中抓握”（SNAG）使机器人能够飞行、抓取和搬运物体，并停靠在各种表面上。
为展示该研究的广泛潜力，研究人员利用它比较了鸟爪不同趾骨排列方式的效果，并测量了俄勒冈州偏远森林中的微气候。
在先前对鹦鹉的研究中，小鸟在专门的栖木之间往返飞行，五台高速摄像机对其进行记录。栖木采用木材、泡沫、砂纸和特氟龙等不同尺寸和材质，上面还安装有传感器，用于捕捉鸟类着陆、栖停和起飞时产生的物理作用力。
“令我们惊讶的是，无论它们降落在何种表面上，都会做出相同的空中动作。这使它们的脚能够应对表面质地的多变与复杂”
每只鸟降落时都表现出这种固定模式，这正是SNAG中字母S代表“刻板”（stereotyped）的原因。与鹦鹉一样，SNAG对每个栖息面都采用相同的方式。但考虑到四旋翼飞行器的尺寸，SNAG以游隼的腿为原型（游隼是隼科的一种猛禽）。它没有骨骼，而是采用3D打印结构，为完善该结构共进行了20次尝试；同时使用电机和细线替代肌肉与肌腱。
每条腿都有一个专门用于前后运动的电机，另有一个用于抓握。受鸟类跗关节处肌腱运作方式的启发，机器人腿部的类似机构能够吸收着陆冲击的能量，并被动地将其转化为抓握力。因此，机器人拥有特别坚固、高速的离合器，可在20毫秒内完成啮合。缠绕住树枝后，SNAG的踝部锁定装置和右腿上的加速度计会告知机器人已经着陆，并启动平衡算法以保持稳定。
新冠疫情期间，罗德里克将包括3D打印机在内的设备从斯坦福大学伦廷克实验室搬到俄勒冈州的乡村，在那里设立了一个地下室实验室，用于受控测试。他通过轨道系统让SNAG以设定的速度和姿态在不同表面上运行，以观察其在各种场景中的表现。
将SNAG安装到位后，罗德里克还验证了机器人接住手抛物体的能力，包括假人模型、玉米豆袋和网球。最后，罗德里克与SNAG一同前往附近的森林，进行了几次真实环境下的试飞。
总体而言，SNAG的表现非常出色，因此下一步的开发重点可能会放在着陆前的环节上，例如提升态势感知能力和飞行控制。
这款机器人设备有着无数可能的应用场景，包括搜救行动和森林火灾监测。它还可以与无人机以外的其他技术结合使用。SNAG与鸟类的相似性，使人们能够独特地了解鸟类生物学。
例如，研究人员用两种不同的足趾排列方式控制机器人：一种是前三趾后一趾的异趾型（如游隼），另一种是前两趾后两趾的对趾型（如鹦鹉）。出乎他们意料的是，两者之间的性能差异非常小。
对于罗德里克而言，他的父母都是生物学家，SNAG最有意义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湿度传感器，罗德里克用它记录了俄勒冈州的微气候。
“这项工作的主要动机，在于开发能够帮助我们研究自然世界的工具。如果我们拥有一台能像鸟一样行动的机器人，它将为环境研究开辟全新的途径”
伦廷克是论文的资深作者，他高度赞赏罗德里克在这个需要数年时间的项目中所展现的坚持。
“事实上，six years前，威尔曾在伯克利与多位生态学家交流，随后撰写了一份关于部署空中机器人进行环境监测的美国国家科学基金会（NSF）奖学金申请，这项研究正是由此开始。威尔的研究来得正是时候，因为XPRIZE现已拨出1000万美元，用于应对热带雨林生物多样性监测这一挑战”
