Стэнфордские инженеры создали робота, похожего на птицу

Как и снежинки, нет двух одинаковых веток. Они могут отличаться по размеру, форме и текстуре; некоторые могут быть влажными, покрытыми мхом или лопаться от побега. И все же птицы могут приземлиться практически на любой из них. Эта способность вызвала большой интерес у инженеров из Стэнфордского университета Марка Каткоски и Дэвида Лентинка, которые в настоящее время работают в Университете Гронингена в Нидерландах. Оба они разработали технологии, вдохновленные способностями животных.

«Нелегко имитировать то, как птицы летают и садятся», — сказал Уильям Родерик, доктор философии 20-го года, который был аспирантом в обеих лабораториях. «После миллионов лет эволюции они делают взлет и посадку такими простыми, даже среди всей сложности и разнообразия ветвей деревьев, которые вы можете найти в лесу».

Годы изучения роботов, вдохновленных животными, в лаборатории Каткоски и воздушных роботов, вдохновленных птицами, в лаборатории Лентинка позволили исследователям создать своего собственного робота-сидения. При подключении к дрону-квадрокоптеру их «стереотипный воздушный захват», или SNAG, образует робота, который может летать, ловить и переносить предметы и садиться на различные поверхности. Чтобы продемонстрировать потенциал универсальности этой работы, исследователи использовали ее для сравнения различных типов расположения птичьих пальцев и для измерения микроклимата в отдаленном лесу Орегона.

В предыдущих исследованиях исследователей попугаев — второго по величине вида попугаев — миниатюрные птицы летали туда-сюда между специальными насестами, при этом их записывали пять высокоскоростных камер. В насестах разных размеров и материалов, включая дерево, пенопласт, наждачную бумагу и тефлон, также были установлены датчики, регистрирующие физические силы, связанные с приземлением, усаживанием 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», — сказал Родерик, ведущий автор статьи. «Они позволяют ногам справляться с изменчивостью и сложностью самой текстуры поверхности». Это шаблонное поведение, наблюдаемое при каждой посадке птицы, объясняет, почему буква «S» в SNAG означает «стереотипный».

Как и попугаи, SNAG подходит к каждой посадке одинаково. Но, чтобы учесть размер квадрокоптера, SNAG основан на ногах сапсана. Вместо костей у него есть напечатанная на 3D-принтере структура, на создание которой ушло 20 итераций, а моторы и леска заменяют мышцы и сухожилия.

Каждая нога имеет свой двигатель для движения вперед и назад и еще один для захвата. Вдохновленный тем, как сухожилия проходят вокруг лодыжки у птиц, аналогичный механизм в ноге робота поглощает энергию удара при приземлении и пассивно преобразует ее в силу захвата. В результате у робота есть особенно прочная и высокоскоростная муфта, которая может закрываться за 20 миллисекунд. Обернувшись вокруг ветки, SNAG блокирует лодыжки, а акселерометр на правой ноге сообщает, что робот приземлился, и запускает алгоритм балансировки для его стабилизации.

Во время COVID-19 Родерик перевез оборудование, в том числе 3D-принтер, из лаборатории Лентинка в Стэнфорде в сельский Орегон, где он создал подвальную лабораторию для контролируемого тестирования. Там он отправил SNAG по рельсовой системе, которая запускала робота на разных поверхностях с заранее заданными скоростями и ориентациями, чтобы посмотреть, как он работает в различных сценариях. Удерживая SNAG на месте, Родерик также подтвердил способность робота ловить предметы, брошенные рукой, в том числе манекен добычи, мешок с фасолью из кукурузной дыры и теннисный мяч. Наконец, Родерик и SNAG отправились в близлежащий лес для пробных заездов в реальном мире.

В целом SNAG показал себя настолько хорошо, что следующие шаги в разработке, скорее всего, будут сосредоточены на том, что происходит перед приземлением, например, на улучшении ситуационной осведомленности робота и управлении полетом.

Приложения

Существует бесчисленное множество возможных применений этого робота, включая поисково-спасательные работы и мониторинг лесных пожаров; его также можно прикрепить к другим технологиям, помимо дронов. Близость SNAG к птицам также позволяет получить уникальное представление о биологии птиц. Например, исследователи запустили робота с двумя разными способами расположения пальцев — 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 между ними очень небольшая разница в производительности.

Для Родерика, оба родителя которого являются биологами, одним из самых захватывающих возможных применений SNAG являются исследования окружающей среды. С этой целью исследователи также прикрепили к роботу датчик температуры и влажности, который Родерик использовал для регистрации микроклимата в Орегоне.

«Часть основной мотивации этой работы заключалась в том, чтобы создать инструменты, которые мы можем использовать для изучения мира природы», — сказал Родерик. «Если бы у нас был робот, который мог бы вести себя как птица, это открыло бы совершенно новые способы изучения окружающей среды».