Стэнфордские инженеры создали птицеподобного робота, способного точно садиться на ветки

Как снежинки, никакие две ветки не похожи друг на друга. Они различаются по размеру, форме и текстуре; некоторые могут быть влажными, покрытыми мхом или изобилующими ветвями. И всё же птицы могут садиться практически на любую из них. Эта способность вызвала большой интерес в лабораториях Стэнфордских инженеров Марка Каткоски и Дэвида Лентика — ныне работающего в Университете Гронингена в Нидерландах — которые разрабатывают технологии, вдохновлённые способностями животных.

«Нелегко подражать полёту и посадке птиц», — говорит Уильям Родерик, PhD ’20, бывший аспирант в обеих лабораториях. «После миллионов лет эволюции они делают взлёт и посадку настолько лёгкими, несмотря на всю сложность и изменчивость веток деревьев, которые можно встретить в лесу».

Многолетние исследования животноподобных роботов в лаборатории Каткоски и птицеподобных воздушных роботов в лаборатории Лентика позволили исследователям создать собственного сидящего робота. Прикреплённый к квадрокоптеру, их «стереотипный природо-вдохновлённый воздушный захватыватель» (SNAG) формирует робота, способного летать, захватывать и переносить предметы, а также садиться на различные поверхности. Демонстрируя потенциальную универсальность этой работы, исследователи использовали её для сравнения разных типов расположения пальцев у птиц и измерения микроклимата в удалённом лесу Орегона.

Изучение посадки попугайчиков

В предыдущих исследованиях попугайчиков — второго по размеру вида попугаев — маленькие птицы летали туда-сюда между специальными жердями, записываемыми пятью высокоскоростными камерами. Жерди — представляющие различные размеры и материалы, включая дерево, пенопласт, наждачную бумагу и тефлон — также содержали датчики, фиксирующие физические силы, связанные с посадками, сидением и взлётами птиц.

«Что удивило нас, так это то, что они выполняли одни и те же воздушные манёвры, независимо от поверхностей, на которые садились», — сказал Родерик, главный автор статьи. «Они позволяют ногам справляться с изменчивостью и сложностью текстуры поверхности». Именно эта формулированная поведенческая модель, наблюдаемая при каждой посадке птицы, объясняет, почему «S» в SNAG означает «стереотипный».

Как работает SNAG

Подобно попугайчикам, SNAG подходит к каждой посадке одинаково. Но, чтобы учесть размер квадрокоптера, SNAG основан на лапах сокола-путешественника. Вместо костей у него 3D-печатная структура — которая потребовала 20 итераций для доведения до совершенства — а моторы и рыболовная леска выполняют роль мышц и сухожилий.

У каждой лапы свой мотор для движения вперёд-назад и ещё один для захвата. Вдохновлённый тем, как сухожилия обходят лодыжку у птиц, аналогичный механизм в ноге робота поглощает энергию удара при посадке и пассивно преобразует её в силу захвата. В результате робот обладает исключительно сильным и быстрым сцеплением, которое может срабатывать за 20 миллисекунд. Обернувшись вокруг ветки, лодыжки SNAG блокируются, и акселерометр на правой ноге сообщает, что робот приземлился, запуская алгоритм балансировки для стабилизации.

Испытания в условиях COVID-19

Во время пандемии Родерик перевёз оборудование, включая 3D-принтер, из лаборатории Лентика в Стэнфорде в сельскую местность Орегона, где создал подвальную лабораторию для контролируемых испытаний. Там он запускал SNAG по рельсовой системе, запуская робота на различные поверхности с заданными скоростями и ориентацией, чтобы проверить его работу в разных сценариях. С зафиксированным SNAG Родерик также подтвердил способность робота ловить предметы, бросаемые вручную, включая манекен добычи, мешок для корнхол и теннисный мяч. Наконец, Родерик и SNAG отправились в ближайший лес для полевых испытаний в реальных условиях.

В целом, SNAG проявил себя настолько хорошо, что следующие этапы разработки, вероятно, сфокусируются на том, что происходит перед посадкой, например, на улучшении ситуационной осведомлённости робота и управления полётом.

Применения

Существует бесчисленное множество возможных применений для этого робота, включая поиск и спасение, мониторинг лесных пожаров; его также можно прикрепить к технологиям, отличным от дронов. Близость SNAG к птицам также позволяет получать уникальные сведения об авианной биологии. Например, исследователи запускали робота с двумя разными расположениями пальцев — анизодактильным, с тремя пальцами спереди и одним сзади, как у сокола-путешественника, и зигодактильным, с двумя пальцами спереди и двумя сзади, как у попугайчика. Они обнаружили, что разница в производительности между ними минимальна.

Для Родерика, чьи родители — биологи, одним из самых захватывающих возможных применений SNAG является экологическое исследование. В этой цели исследователи также установили на робота датчик температуры и влажности, которым Родерик использовал для записи микроклимата в Орегоне.

«Часть базовой мотивации этой работы — создать инструменты, которые мы можем использовать для изучения природного мира», — сказал Родерик. «Если у нас будет робот, способный действовать как птица, это откроет полностью новые способы изучения окружающей среды».