斯坦福大学的研究人员通过研究鸟类来改进机器人着陆的方式

在5台高速摄像机的监视下,一只名叫加里的淡蓝色小鸟等待着信号。斯坦福大学(Stanford University)研究生、加里的教练戴安娜·琴(Diana Chin)把手指指向大约20英寸(约合10厘米)外的一个栖木。这里的问题是,鲈鱼身上覆盖着聚四氟乙烯,似乎不可能稳定地抓住。

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斯坦福大学的研究人员通过在栖木上安装传感器,能够探测到鸟类在着陆时所使用的精确力量。科学家可以利用这些信息来设计具有类似能力的飞行机器人。

加里成功地降落在特氟隆上——以及其他不同材料的栖木上——正在教导研究人员如何制造出像鸟一样着陆的机器。

“现代空中机器人通常需要跑道或平坦的地面来方便起飞和降落。对于鸟类来说,几乎所有地方都是潜在的着陆点,甚至在城市也是如此。“我们真的很想了解他们是如何做到这一点的,以及其中涉及的动力和力量。”

即使是最先进的机器人,在处理各种形状、大小和纹理的物体时,也远不及动物的抓取能力。因此,研究人员收集了关于加里和另外两只鸟如何在不同的表面着陆的数据,包括各种各样的天然栖木和覆盖着泡沫、砂纸和聚四氟乙烯的人造栖木。

这篇论文的资深作者Lentink说:“这就像要求一名奥林匹克体操运动员在不用笔触地的情况下降落在特氟龙覆盖的高杆上。”然而,鹦鹉让人类看起来几乎不可能的事情变得毫不费力。

该小组的研究发表在8月6日的《生活》(eLife)杂志上,其中还包括对鸟类爪子和脚产生摩擦力的详细研究。从这项研究中,研究人员发现,鹦鹉多才多艺的秘诀在于它的握力。

“当我们看一个人跑步,一只松鼠跳或一只鸟飞,很明显,我们还有很长的路要走我们的技术可以达到的复杂的潜力这些动物,无论是从效率和运动控制,”威廉•罗德里克说,研究生在Lentink机械工程实验室,实验室的马克·弗莱彻琼斯椅子工程学院的。“通过研究已经进化了数百万年的自然系统,我们可以朝着构建具有前所未有能力的系统迈出巨大的步伐。”

(非)坚持着陆

这项研究中的栖木并不是一般宠物店的存货。研究人员将它们纵向分成两半,在一点上大约与鹦鹉脚的中心对齐。就这只鸟而言,这些支座感觉就像一根单独的树枝,但每半根都位于自己的6轴力/扭矩传感器上。这意味着研究人员可以捕捉到这种鸟在很多方向上施加在栖木上的总力,以及这些力在两部分之间的不同之处——这表明这种鸟在用力挤压栖木。

当这些鸟拍打着翅膀飞向所有9个不同大小、柔软度和滑溜度的力觉栖木后,研究小组开始分析着陆的第一阶段。通过比较不同的栖木表面,他们希望看到鸟类接近栖木的方式和它们落地的力量的不同,但这并不是他们所发现的。

Chin回忆说:“当我们第一次处理所有关于鸟降落时的进近速度和力量的数据时,我们没有发现任何明显的差异。”“但后来我们开始研究脚和爪子的运动学——它们如何移动的细节——并发现它们能适应着陆。”

鸟类弯曲脚趾和爪子的程度因着陆时遇到的情况而异。在粗糙或潮湿的表面上,比如中等大小的泡沫、砂纸和粗糙的木头支座,它们的脚可以产生很大的挤压力,而爪子几乎没有帮助。在最难抓住的栖木上——丝绒、特氟隆和大桦木——鸟儿们更多地蜷曲着爪子,沿着栖木表面拖着它们,直到站稳脚跟。

这种变化的抓地力表明,当制造机器人在各种各样的表面着陆时,研究人员可以将接近着陆的控制与成功着陆所需的动作分开。

他们的测量结果还显示,这些鸟能够在1到2毫秒内将爪子从一个可抓的凸起或凹坑重新定位到另一个。(相比之下,人类眨眼需要100到400毫秒。)

鸟类和机器人

Cutkosky和Lentink实验室已经开始研究鹦鹉如何从不同的表面起飞。结合他们之前探索鹦鹉如何在环境中导航的工作,该小组希望这些发现能导致更灵活的飞行机器人。

秦说:“如果我们能应用所学到的知识,我们就能开发出双峰机器人,可以在各种不同的环境中进行空中和空中的转换,并提高我们现有空中机器人的通用性。”

为了达到这个目的,罗德里克正致力于设计一种机制,模仿鸟类的抓握形态和物理特性。

罗德里克说:“我对这项工作的一个应用很感兴趣,那就是让栖息的机器人充当一组小型科学家的角色,它们可以自主地为森林或丛林的实地研究录音。”“我真的很喜欢从工程学的基础知识中汲取灵感,并将其应用到新的领域,以突破之前所取得的成就和已知的极限。”

本文作者之一,斯坦福大学生物x和吴蔡神经科学研究所成员。Lentink也是斯坦福Bio-X的成员之一。

这项研究由美国国家科学基金会、美国空军科学研究办公室、斯坦福大学机械工程系和国防部资助。

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新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://news.stanford.edu/2019/08/06/can-robots-land-like-birds/

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