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智東西(公眾號:zhidxcom)

作者 | 楊暢 李水青

編輯 | 心緣

智東西12月2日報道,12月1日,斯坦福大學的一項新成果登上國際學術頂刊《科學》的子刊《科學·機器人學》封面。研究人員受鳥類啟發,研發出一款名為SNAG的自動“機器腳爪”,可以使無人機能夠在複雜的表面起飛和降落,並捕捉空中的物體。


多年來,無人機已經可以在天空上自由飛行,卻並沒有掌握穩定的著陸能力,經常“栽跟頭”。鳥類幾乎可以用腳爪纏住任何東西,掠過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的速度俯衝下抓住一隻老鼠,這為斯坦福大學的研究人員帶來了啟迪。

他們以一種名為遊隼的猛禽為參照,採用3D列印的方式打造了這款名為SNAG“機器腳爪”。它可以助一個無人機鎖定與它們接觸的任何東西,無論是可以棲息的樹枝,還是空中拋落的球體。未來有一天,它可能使無人機飛到任何地方,甚至成為能“捕獵”的無人機。

論文連結:

https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abj7562


一、“帶爪”無人機飛入森林,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、形狀和質地存在差異,比如有些可能是溼潤的,或長滿了苔蘚,或有分叉。不過,鳥類落在樹枝上時,不受這些樹枝情況的影響,哪裡都可以著陸。

斯坦福大學工程師馬克·卡特科斯基(Mark Cutkosky)和大衛·倫廷克(David Lentink)實驗室的研究人員對鳥類的著陸能力非常感興趣。倫廷克說:“對於我們來說,有個想法很鼓舞人心——如果設計不同的起落架,機器人就可以在任何地方著陸。”

於是,兩個實驗室的研究人員共同為“空中機器人”開發了一種自動“機器腳爪”,名為SNAG。像真實的鳥類一樣,SNAG每次都以相同的方式靠近物體並著陸。


SNAG能夠成功抓握住空中的豆袋和網球,並在觸發時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,與大多數猛禽的動態捕捉行為相比,這是小到中等水平。要知道,豆袋和網球都具有與遊隼獵物相似的大小和重量。


最後,羅德里克帶著SNAG進入附近的森林,在現實世界中,進行一些試執行。團隊發現動態鳥類進近過程中儘管腳部誤差很大,但仍能實現穩健的近水平著陸。


總體而言,SNAG表現非常好,對其的下一步開發可能會集中在著陸前的動作優化上,例如提高機器人的態勢感知和飛行控制能力。

該研究的第一作者羅德里克說:“令我們驚訝的是,無論鸚鵡落在什麼樣的表面上,它們都做了同樣的空中機動動作,用腳處理著陸材料表面紋理的可變性和複雜性。”SNAG研發期間經過了20次的迭代完善,最終才實現較好效果。


二、比照真鳥3D列印,實現兩大機制

SNAG的設計靈感來自鳥類後肢的功能解剖結構,包含一個受鳥類啟發的雙足足部和腿部系統,質量約為250g。


在眾多鳥類中,遊隼的腿長和腿重在鳥類中具備普遍性,且可以每小時200英里的速度俯衝,並用爪子抓住其他鳥類。SNAG的腿長尺寸、腳趾長度和爪子大小都是等比例參照兩隻750g的遊隼,經過3D列印而來。

為了讓更好地把握鳥類特徵,研究人員曾對世界第二小的鸚鵡物種進行研究,包括同時用5個高速攝像機記錄這些矮小鳥類在特殊棲木上來回飛行的動作,還使用感測器,捕獲鳥類著陸、棲息和起飛相關的物理力的資料。


鳥腿和腳趾的剛性結構由骨骼和軟骨組成,通過韌帶連線在一起,並通過肌腱連線由肌肉驅動。類似地,SNAG機器爪的剛性結構由硬塑料製成,抓取動作由一種人造肌腱和串聯彈簧驅動,每條腿由一個電機驅動。


更進一步來看,SNAG主要參考了真實遊隼的兩個關鍵運動機制,分別稱為數字屈肌機制(DFM)和肌腱鎖定機制(TLM)。

DFM是一種類似鳥類降落站定時,降低衝擊力的機制。也就是鳥腿降落中通過摺疊的動作,衝擊力可以被轉化為更加強大的抓握力。SNAG則通過肌腱彈簧拉伸,被動吸收衝擊力,轉而獲得比電機驅動的更大抓握力。

再看看TLM,這在鳥類的運動中是在每個腳趾肌腱相互作用下鎖定住抓握狀態、防止回彈的機制。SNAG將TLM模擬物與腳踝鎖定棘輪結合在一起,使SNAG能夠在腿部摺疊時保持來自DFM的額外抓地力的同時,防止回彈,從而讓動作更穩。


為了更加還原真實鳥類的抓握能力,SNAG可以說在很多細節上都高度還原了鳥類結構。比如,與鳥類腳爪類似的是,SNAG的腳設有趾墊產生的摩擦,並且被指爪半包裹著,使SNAG可靠地掌握複雜的表面並保持牢固。

三、可用於搜尋、救援,讓無人機更省電

實驗室團隊人員威廉·羅德里克(William Roderick)說:“模仿鳥類的飛行和休息方式並不容易。鳥類經歷了數百萬年進化,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複雜、多變。”

如果技術落地,SNAG將有無數種可能的應用,包括搜尋、救援和野火監測等等,它也可以新增到無人機以外的應用上。SNAG還可以應用於環境研究,在進入森林的實驗中,研究人員在機器人上安裝了一個溫度和溼度感測器,羅德里克用他來記錄實驗地俄勒岡州的小氣候。

羅德里克說:“這項工作的部分潛在動機是創造我們可以用來研究自然界的工具,如果我們能擁有一個像鳥一樣行動的機器人,那將開啟環境研究的全新方式。”

SNAG仍存在侷限性,那就是它不是自主的。為了進行這些實驗,飛行員必須遠端控制機器人。不過,倫廷克和他的同事們正在研究一種方法,讓機器人定位樹枝,計算如何接近它,並自行著陸。

SNAG並不是第一款帶腿的飛行器,在2019年,加州理工學院的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,因為將無人機懸停在適當位置以監視區域會迅速耗盡電池電量。

結語:仿生機器人發展迅速,仍面臨自動化難題

在鳥類的啟迪下,研究人員為無人機裝上了“腳爪”,實現在不平坦環境下的順利降落,甚至進化為“捕手”。背後,不僅是對鳥類腿和爪的結構的複製,更是對其中運動機制的借鑑,需要大量的資料收集和實地試驗。

近年來,仿生機器人成為越來越熱門的方向,無論是機器狗、機器魚還是現在模仿鳥類的機器爪,都在解決很多機器人運動的難題。但與此同時,這些仿生類機器裝置很多仍難實現自主化地運動,有目地自主執行任務,仍需要研究人員進一步探究。



原文連結:https://inewsdb.com/數碼/斯坦福發明“長腿”無人機!等比例模仿獵鷹,能

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