12 月 3 日?qǐng)?bào)道，12 月 1 日，斯坦福大學(xué)的一項(xiàng)新成果登上國(guó)際學(xué)術(shù)頂刊《科學(xué)》的子刊《科學(xué)?機(jī)器人學(xué)》封面。研究人員受鳥類啟發(fā)，研發(fā)出一款名為 SNAG 的自動(dòng)“機(jī)器腳爪”，可以使無(wú)人機(jī)能夠在復(fù)雜的表面起飛和降落，并捕捉空中的物體。
多年來(lái)，無(wú)人機(jī)已經(jīng)可以在天空上自由飛行，卻并沒有掌握穩(wěn)定的著陸能力，經(jīng)?！霸愿^”。鳥類幾乎可以用腳爪纏住任何東西，掠過(guò)海浪尖的鵜鶘可以突然降落在碼頭的樁上，貓頭鷹能以 64km/h 的速度俯沖下抓住一只老鼠，這為斯坦福大學(xué)的研究人員帶來(lái)了啟迪。
他們以一種名為游隼的猛禽為參照，采用 3D 打印的方式打造了這款名為 SNAG“機(jī)器腳爪”。它可以助一個(gè)無(wú)人機(jī)鎖定與它們接觸的任何東西，無(wú)論是可以棲息的樹枝，還是空中拋落的球體。未來(lái)有一天，它可能使無(wú)人機(jī)飛到任何地方，甚至成為能“捕獵”的無(wú)人機(jī)。
論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abj7562
01.“帶爪”無(wú)人機(jī)飛入森林 能抓沙袋能接球
世界上沒有兩片相同的雪花，樹枝也是一樣，每根樹枝的大小、形狀和質(zhì)地存在差異，比如有些可能是濕潤(rùn)的，或長(zhǎng)滿了苔蘚，或有分叉。不過(guò)，鳥類落在樹枝上時(shí)，不受這些樹枝情況的影響，哪里都可以著陸。
斯坦福大學(xué)工程師馬克?卡特科斯基（Mark Cutkosky）和大衛(wèi)?倫廷克（David Lentink）實(shí)驗(yàn)室的研究人員對(duì)鳥類的著陸能力非常感興趣。倫廷克說(shuō)：“對(duì)于我們來(lái)說(shuō)，有個(gè)想法很鼓舞人心 —— 如果設(shè)計(jì)不同的起落架，機(jī)器人就可以在任何地方著陸?！?/p>
于是，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室的研究人員共同為“空中機(jī)器人”開發(fā)了一種自動(dòng)“機(jī)器腳爪”，名為 SNAG。像真實(shí)的鳥類一樣，SNAG 每次都以相同的方式靠近物體并著陸。
SNAG 能夠成功抓握住空中的豆袋和網(wǎng)球，并在觸發(fā)時(shí)以受控方式釋放它們。論文提到，其腳和物體之間的速度差約為 5 m/s，與大多數(shù)猛禽的動(dòng)態(tài)捕捉行為相比，這是小到中等水平。要知道，豆袋和網(wǎng)球都具有與游隼獵物相似的大小和重量。
最后，羅德里克帶著 SNAG 進(jìn)入附近的森林，在現(xiàn)實(shí)世界中，進(jìn)行一些試運(yùn)行。團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)鳥類進(jìn)近過(guò)程中盡管腳部誤差很大，但仍能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的近水平著陸。
總體而言，SNAG 表現(xiàn)非常好，對(duì)其的下一步開發(fā)可能會(huì)集中在著陸前的動(dòng)作優(yōu)化上，例如提高機(jī)器人的態(tài)勢(shì)感知和飛行控制能力。
該研究的第一作者羅德里克說(shuō)：“令我們驚訝的是，無(wú)論鸚鵡落在什么樣的表面上，它們都做了同樣的空中機(jī)動(dòng)動(dòng)作，用腳處理著陸材料表面紋理的可變性和復(fù)雜性。”SNAG 研發(fā)期間經(jīng)過(guò)了 20 次的迭代完善，最終才實(shí)現(xiàn)較好效果。
02.比照真鳥 3D 打印，實(shí)現(xiàn)兩大機(jī)制
SNAG 的設(shè)計(jì)靈感來(lái)自鳥類后肢的功能解剖結(jié)構(gòu)，包含一個(gè)受鳥類啟發(fā)的雙足足部和腿部系統(tǒng)，質(zhì)量約為 250g。
在眾多鳥類中，游隼的腿長(zhǎng)和腿重在鳥類中具備普遍性，且可以每小時(shí) 200 英里的速度俯沖，并用爪子抓住其他鳥類。SNAG 的腿長(zhǎng)尺寸、腳趾長(zhǎng)度和爪子大小都是等比例參照兩只 750g 的游隼，經(jīng)過(guò) 3D 打印而來(lái)。
為了讓更好地把握鳥類特征，研究人員曾對(duì)世界第二小的鸚鵡物種進(jìn)行研究，包括同時(shí)用 5 個(gè)高速攝像機(jī)記錄這些矮小鳥類在特殊棲木上來(lái)回飛行的動(dòng)作，還使用傳感器，捕獲鳥類著陸、棲息和起飛相關(guān)的物理力的數(shù)據(jù)。
鳥腿和腳趾的剛性結(jié)構(gòu)由骨骼和軟骨組成，通過(guò)韌帶連接在一起，并通過(guò)肌腱連接由肌肉驅(qū)動(dòng)。類似地，SNAG 機(jī)器爪的剛性結(jié)構(gòu)由硬塑料制成，抓取動(dòng)作由一種人造肌腱和串聯(lián)彈簧驅(qū)動(dòng)，每條腿由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
更進(jìn)一步來(lái)看，SNAG 主要參考了真實(shí)游隼的兩個(gè)關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)機(jī)制，分別稱為數(shù)字屈肌機(jī)制（DFM）和肌腱鎖定機(jī)制（TLM）。
DFM 是一種類似鳥類降落站定時(shí)，降低沖擊力的機(jī)制。也就是鳥腿降落中通過(guò)折疊的動(dòng)作，沖擊力可以被轉(zhuǎn)化為更加強(qiáng)大的抓握力。SNAG 則通過(guò)肌腱彈簧拉伸，被動(dòng)吸收沖擊力，轉(zhuǎn)而獲得比電機(jī)驅(qū)動(dòng)的更大抓握力。
再看看 TLM，這在鳥類的運(yùn)動(dòng)中是在每個(gè)腳趾肌腱相互作用下鎖定住抓握狀態(tài)、防止回彈的機(jī)制。SNAG 將 TLM 模擬物與腳踝鎖定棘輪結(jié)合在一起，使 SNAG 能夠在腿部折疊時(shí)保持來(lái)自 DFM 的額外抓地力的同時(shí)，防止回彈，從而讓動(dòng)作更穩(wěn)。
為了更加還原真實(shí)鳥類的抓握能力，SNAG 可以說(shuō)在很多細(xì)節(jié)上都高度還原了鳥類結(jié)構(gòu)。比如，與鳥類腳爪類似的是，SNAG 的腳設(shè)有趾墊產(chǎn)生的摩擦，并且被指爪半包裹著，使 SNAG 可靠地掌握復(fù)雜的表面并保持牢固。
03.可用于搜索、救援 讓無(wú)人機(jī)更省電
實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)人員威廉?羅德里克（William Roderick）說(shuō)：“模仿鳥類的飛行和休息方式并不容易。鳥類經(jīng)歷了數(shù)百萬(wàn)年進(jìn)化，這使鳥類看上去很容易完成起飛和著陸，即使森林中的樹枝形態(tài)復(fù)雜、多變。”
如果技術(shù)落地，SNAG 將有無(wú)數(shù)種可能的應(yīng)用，包括搜索、救援和野火監(jiān)測(cè)等等，它也可以添加到無(wú)人機(jī)以外的應(yīng)用上。SNAG 還可以應(yīng)用于環(huán)境研究，在進(jìn)入森林的實(shí)驗(yàn)中，研究人員在機(jī)器人上安裝了一個(gè)溫度和濕度傳感器，羅德里克用他來(lái)記錄實(shí)驗(yàn)地俄勒岡州的小氣候。
羅德里克說(shuō)：“這項(xiàng)工作的部分潛在動(dòng)機(jī)是創(chuàng)造我們可以用來(lái)研究自然界的工具，如果我們能擁有一個(gè)像鳥一樣行動(dòng)的機(jī)器人，那將開啟環(huán)境研究的全新方式?！?/p>
SNAG 仍存在局限性，那就是它不是自主的。為了進(jìn)行這些實(shí)驗(yàn)，飛行員必須遠(yuǎn)程控制機(jī)器人。不過(guò)，倫廷克和他的同事們正在研究一種方法，讓機(jī)器人定位樹枝，計(jì)算如何接近它，并自行著陸。
SNAG 并不是第一款帶腿的飛行器，在 2019 年，加州理工學(xué)院的 LEg ON Aerial Robotic DrOne（又名 Leonardo）已首次亮相，它的四肢可以使它在地面上休息，旨在更好地探索火星。SNAG 和 Leonardo 都在追求同一件事：能源效率，因?yàn)閷o(wú)人機(jī)懸停在適當(dāng)位置以監(jiān)視區(qū)域會(huì)迅速耗盡電池電量。
04.結(jié)語(yǔ)：仿生機(jī)器人發(fā)展迅速 仍面臨自動(dòng)化難題
在鳥類的啟迪下，研究人員為無(wú)人機(jī)裝上了“腳爪”，實(shí)現(xiàn)在不平坦環(huán)境下的順利降落，甚至進(jìn)化為“捕手”。背后，不僅是對(duì)鳥類腿和爪的結(jié)構(gòu)的復(fù)制，更是對(duì)其中運(yùn)動(dòng)機(jī)制的借鑒，需要大量的數(shù)據(jù)收集和實(shí)地試驗(yàn)。
近年來(lái)，仿生機(jī)器人成為越來(lái)越熱門的方向，無(wú)論是機(jī)器狗、機(jī)器魚還是現(xiàn)在模仿鳥類的機(jī)器爪，都在解決很多機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的難題。但與此同時(shí)，這些仿生類機(jī)器設(shè)備很多仍難實(shí)現(xiàn)自主化地運(yùn)動(dòng)，有目地自主執(zhí)行任務(wù)，仍需要研究人員進(jìn)一步探究。
廣告聲明：文內(nèi)含有的對(duì)外跳轉(zhuǎn)鏈接（包括不限于超鏈接、二維碼、口令等形式），用于傳遞更多信息，節(jié)省甄選時(shí)間，結(jié)果僅供參考，IT之家所有文章均包含本聲明。