[ad_1]
Как снежинки, нет двух одинаковых веток. Они могут различаться по размеру, форме и фактуре; некоторые могут быть мокрыми, покрытыми мхом или покрытыми побегами. И все же птицы могут приземлиться практически на любой из них. Эта способность вызвала большой интерес в лабораториях инженеров Стэнфордского университета Марка Каткоски и Дэвида Лентинка, которые сейчас работают в Университете Гронингена в Нидерландах, которые разработали технологии, вдохновленные способностями животных.
«Нелегко имитировать, как птицы летают и садятся на насест», – сказал Уильям Родерик, доктор философии ’20, который был аспирантом обеих лабораторий. «После миллионов лет эволюции они делают взлет и посадку такими легкими, даже несмотря на всю сложность и разнообразие ветвей деревьев, которые можно найти в лесу».
Годы исследований роботов, вдохновленных животными, в лаборатории Каткоски и воздушных роботов, вдохновленных птицами, в лаборатории Лентинк, позволили исследователям создать своего собственного робота-насеста, подробно описанного в статье, опубликованной 1 декабря в США. Научная робототехника. Когда они прикреплены к квадрокоптеру, их «стереотипный воздушный захват», или SNAG, образует робота, который может летать, ловить и переносить предметы и садиться на различные поверхности. Продемонстрировав потенциальную универсальность этой работы, исследователи использовали ее для сравнения различных типов расположения пальцев на лапах птиц и для измерения микроклимата в отдаленных лесах штата Орегон.
Птичий бот в лесу
В предыдущих исследованиях попугаев – второго по величине вида попугаев – ученые летали туда-сюда между специальными насестами, при этом их фиксировали пять высокоскоростных камер. В жердях, представляющих различные размеры и материалы, включая дерево, пену, наждачную бумагу и тефлон, также были датчики, которые улавливали физические силы, связанные с посадкой, посадкой 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 приземлении каждой птицы, является причиной того, почему буква S в SNAG означает «стереотипный».
Как и попугаи, SNAG одинаково подходит к каждой площадке. Но, чтобы учесть размер квадрокоптера, SNAG основан на ногах сапсана. Вместо костей он имеет структуру, напечатанную на 3D-принтере, для совершенствования которой потребовалось 20 итераций, а также моторы и леску, заменяющие мышцы и сухожилия.
У каждой ноги есть собственный двигатель для движения вперед и назад, а другой – для захвата. Вдохновленный тем, как у птиц проходят сухожилия вокруг лодыжки, аналогичный механизм в ноге робота поглощает энергию удара при приземлении и пассивно преобразует ее в силу захвата. В результате робот имеет особенно прочную и высокоскоростную муфту, срабатывающую для включения за 20 миллисекунд. После обертывания ветки блокировка лодыжек SNAG и 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 организовал подвальную лабораторию для контролируемого тестирования. Там он отправил SNAG по рельсовой системе, которая запускала робота по разным поверхностям, с заданной скоростью и ориентацией, чтобы увидеть, как он работает в различных сценариях. Установив SNAG на месте, Родерик также подтвердил способность робота ловить предметы, брошенные рукой, в том числе манекен для добычи, мешок для кукурузных бобов и теннисный мяч. Наконец, Родерик и SNAG рискнули отправиться в ближайший лес для некоторых пробных запусков в реальном мире.
В целом, SNAG работал настолько хорошо, что следующие шаги в разработке, вероятно, будут сосредоточены на том, что происходит перед посадкой, например, на улучшении ситуационной осведомленности и управления полетом робота.
Назад к природе
У этого робота есть бесчисленное множество возможных применений, включая поисково-спасательные операции и мониторинг лесных пожаров; его также можно прикрепить к другим технологиям, кроме дронов. Близость SNAG к птицам также позволяет получить уникальное представление о птичьей биологии. Например, исследователи управляли роботом с двумя разными расположениями 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 мала.
Для Родерика, родители которого оба являются биологами, одно из наиболее интересных приложений SNAG – это исследования окружающей среды. С этой целью исследователи также прикрепили к роботу датчик температуры и влажности, который Родерик использовал для записи микроклимата в Орегоне.
«Частично основная мотивация этой работы заключалась в создании инструментов, которые мы могли бы использовать для изучения мира природы», – сказал Родерик. «Если бы у нас был робот, который мог бы действовать как птица, он открыл бы совершенно новые способы изучения окружающей среды».
Лентинк, который является старшим автором статьи, высоко оценил настойчивость Родерика в этом проекте, рассчитанном на годы. «На самом деле Уилл, беседуя с несколькими экологами в Беркли шесть лет назад, а затем написал свою стипендию NSF о размещении воздушных роботов для мониторинга окружающей среды, положил начало этому исследованию», – сказал Лентинк. «Исследование Уилла оказалось своевременным, потому что теперь на эту задачу по мониторингу биоразнообразия в тропических лесах выделено 10 миллионов долларов XPRIZE».
Марк Каткоски, соавтор этой статьи, является профессором Флетчера Джонса в Школе инженерии и членом Стэнфордский Био-Х и Институт неврологии У Цая. Дэвид Лентинк – сопредседатель группы биомиметики и доцент кафедры науки и техники в Университете Гронингена в Нидерландах.
Это исследование финансировалось Управлением научных исследований ВВС США и Национальным научным фондом.
Связанный
[ad_2]
Source