"Нелегко имитировать, как птицы летают и садятся на насест", - сказал Уильям Родерик, доктор философии 20 лет, который был аспирантом в обеих лабораториях. "После миллионов лет эволюции они делают взлет и посадку такими легкими, даже среди всей сложности и изменчивости ветвей деревьев, которые вы могли бы найти в лесу".

Годы исследований роботов, вдохновленных животными, в лаборатории Каткоски и воздушных роботов, вдохновленных птицами, в лаборатории Лентинка позволили исследователям создать своего собственного сидящего робота, подробно описанного в статье, опубликованной 1 декабря в Научная робототехника. Прикрепленный к дрону-квадрокоптеру, их "стереотипный воздушный захват, вдохновленный природой", или SNAG, формирует робота, который может летать, ловить и переносить предметы, а также садиться на различные поверхности. Демонстрируя потенциальную универсальность этой работы, исследователи использовали ее для сравнения различных типов расположения птичьих лап и измерения микроклимата в отдаленном лесу штата Орегон.

Птичий бот в лесу

В предыдущих исследованиях исследователей попугайчиков - второго по величине вида попугаев - миниатюрные птицы летали взад и вперед между специальными насестами, снимаясь пятью высокоскоростными камерами. Насесты, представляющие различные размеры и материалы, включая дерево, пенопласт, наждачную бумагу и тефлон, также содержали датчики, которые фиксировали физические усилия, связанные с посадкой птиц, присаживанием и взлетом.

"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".

Так же, как и попугайчики, СНАГ подходит к каждой посадке одинаково. Но, чтобы учесть размер квадрокоптера, SNAG основан на ногах сапсана. Вместо костей у него 3D-печатная структура, для совершенствования которой потребовалось 20 итераций, а моторы и леска заменяют мышцы и сухожилия.

Каждая нога имеет свой собственный мотор для движения вперед-назад, а другая - 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 робот получил особенно мощное и высокоскоростное сцепление, которое может сработать для замыкания за 20 миллисекунд. Обхватив ветку, лодыжки СНАГА фиксируются, а акселерометр на правой ноге сообщает, что робот приземлился, и запускает алгоритм балансировки для его стабилизации.

Во время COVID-19 Родерик перевез оборудование, включая 3D-принтер, из лаборатории Лентинка в Стэнфорде в сельскую местность штата Орегон, где он создал подвальную лабораторию для контролируемого тестирования. Там он отправил СНАГА по рельсовой системе, которая запускала робота по разным поверхностям с заранее заданными скоростями и ориентациями, чтобы посмотреть, как он работает в различных сценариях. Удерживая СНАГ на месте, Родерик также подтвердил способность робота ловить предметы, брошенные рукой, в том числе манекен-добычу, мешок с фасолью и теннисный мяч. Наконец, Родерик и СНАГ отважились отправиться в близлежащий лес для нескольких 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 посадкой, например, на улучшении ситуационной осведомленности робота и управления полетом.

Назад к природе

Существует бесчисленное множество возможных применений для этого робота, включая поисково-спасательные работы и мониторинг лесных пожаров; он также может быть присоединен к технологиям, отличным от беспилотных летательных аппаратов. Близость СНАГА к птицам также позволяет получить уникальное представление о птичьей биологии. Например, исследователи управляли роботом с двумя различными расположением пальцев ног - 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 разница в производительности между ними очень невелика.

Для Родерика, чьи родители оба биологи, одним из самых интересных возможных применений SNAG является исследование окружающей среды. С этой целью исследователи также прикрепили к роботу датчик температуры и влажности, который Родерик использовал для регистрации микроклимата в Орегоне.

"Частью основной мотивации этой работы было создание инструментов, которые мы могли бы 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".

Лентинк, который является старшим автором статьи, высоко оценил настойчивость Родерика в том, что оказалось многолетним проектом. "На самом деле начало этому исследованию положил Уилл, беседовавший с несколькими экологами в Беркли шесть лет назад, а затем написавший свою стипендию NSF по летающим роботам для мониторинга окружающей среды", - сказал Лентинк. "Исследование Уилла оказалось своевременным, потому что теперь за эту задачу по мониторингу биоразнообразия в тропических лесах присужден приз в размере 10 миллионов долларов".

Марк Каткоски, соавтор этой статьи, является профессором инженерной школы имени Флетчера Джонса и членом Стэнфордского био-Икс и Института нейронаук Ву Цая. Дэвид Лентинк является сопредседателем группы биомиметики и адъюнкт-профессором естественных наук и инженерии в Университете Гронингена в Нидерландах.

Это исследование финансировалось Управлением научных исследований ВВС и Национальным научным фондом.