Hvordan kan robotter lande som fugle?

Under de vågne øjne på fem højhastighedskameraer, en lille, lyseblå fugl ved navn Gary venter på, at signalet flyver. Diana Chin, en kandidatstuderende ved Stanford University og Garys træner, peger sin finger mod en siddepinde omkring 20 centimeter væk. Fangsten her er, at aborren er dækket af teflon, gør det tilsyneladende umuligt at fatte stabilt.

Garys vellykkede touchdown på Teflon - og på andre siddepinde af varierende materialer - lærer forskerne, hvordan de kan skabe maskiner, der lander som en fugl.

"Moderne luftrobotter har normalt brug for enten en landingsbane eller en flad overflade for nem start og landing. For en fugl, næsten overalt er et potentielt landingssted, selv i byer, " sagde Chin, der er en del af David Lentinks laboratorium, adjunkt i maskinteknik. "Vi ønskede virkelig at forstå, hvordan de opnår det, og den dynamik og de kræfter, der er involveret."

Selv de mest avancerede robotter kommer ikke i nærheden af ​​dyrenes grebsevne, når de beskæftiger sig med genstande i forskellige former, størrelser og teksturer. Så, forskerne indsamlede data om, hvordan Gary og to andre fugle lander på forskellige slags overflader, herunder en række naturlige siddepinde og kunstige siddepinde dækket af skum, sandpapir og teflon.

"Dette er ikke ulig at bede en olympisk gymnast om at lande på teflon-dækkede høje stænger uden at kridte deres hænder, "sagde Lentink, som er seniorforfatter af papiret. Endnu, papegøjerne gjorde, hvad der synes næsten umuligt for et menneske at se ubesværet ud.

Gruppens forskning, udgivet 6. august i eLife , omfattede også detaljerede undersøgelser af friktionen fremkaldt af fuglenes kløer og fødder. Fra dette arbejde, forskerne fandt ud af, at hemmeligheden bag papegøjens siddepinde alsidighed er i grebet.

"Når vi ser på en person, der løber, et egern, der hopper eller en fugl, der flyver, det er klart, at vi har en lang vej at gå, før vores teknologi kan nå disse dyrs komplekse potentiale, både med hensyn til effektivitet og kontrolleret atletik, " sagde William Roderick, en kandidatstuderende i maskinteknik i Lentink lab og lab af Mark Cutkosky, Fletcher Jones-stolen på School of Engineering. "Ved at studere naturlige systemer, der har udviklet sig over millioner af år, vi kan gøre enorme skridt i retning af at konstruere systemer med hidtil usete muligheder. "

(Ikke)klæber landingen

Siddepindene i denne undersøgelse var ikke din gennemsnitlige dyrehandelsbestand. Forskerne delte dem i to, på langs, på det punkt, der omtrent flugter med midten af ​​en papegøjefod. Hvad angår fuglen, siddepindene føltes som en enkelt gren, men hver halvdel sad oven på sin egen 6-aksede kraft/momentsensor. Dette betød, at forskerne kunne fange de samlede kræfter, som fuglen satte på aborren i mange retninger, og hvordan disse kræfter adskilte sig mellem halvdelene - hvilket indikerede, hvor hårdt fuglene klemte.

Efter at fuglene klappede til alle ni kraftfølende siddepinde af forskellig størrelse, blødhed og glathed, gruppen begyndte at analysere de første stadier af landing. Sammenligning af forskellige aborreflader, de forventede at se forskelle i, hvordan fuglene nærmede sig aborren og den kraft, de landede med, men det var ikke hvad de fandt.

"Da vi først behandlede alle vores data om tilgangshastighed og kræfterne, da fuglen landede, vi så ingen åbenlyse forskelle, "Mindte Chin. "Men så begyndte vi at se på kinematik af fødder og kløer - detaljerne om, hvordan de flyttede dem - og opdagede, at de tilpassede dem til at holde landingen fast."

I hvilket omfang fuglene viklede tæerne og krøllede deres kløer varierede afhængigt af, hvad de stødte på ved landing. På ru eller squishy overflader - såsom det mellemstore skum, sandpapir og groft træ siddepinde - deres fødder kunne generere høje klemkræfter med lidt hjælp fra deres kløer. På siddepinde, der var sværest at fatte-floss-silketræet, Teflon og stor birk - fuglene krøllede kløerne mere, slæbte dem langs aborreoverfladen, indtil de havde sikkert fodfæste.

Dette variable greb antyder, at når man bygger robotter til at lande på en række forskellige overflader, forskere kunne adskille kontrollen med at nærme sig landing fra de handlinger, der kræves for en vellykket touchdown.

Deres målinger viste også, at fuglene er i stand til at flytte deres kløer fra et grebeligt hul eller grube til et andet på kun 1 til 2 millisekunder. (Til sammenligning, det tager et menneske omkring 100 til 400 millisekunder at blinke.)

Fugle og bots

Cutkosky- og Lentink -laboratorierne er allerede begyndt at karakterisere, hvordan papegøjer flyver fra de forskellige overflader. Kombineret med deres tidligere arbejde med at udforske, hvordan papegøjer navigerer i deres miljø, gruppen håber, at resultaterne kan føre til mere smidige flyvende robotter.

"Hvis vi kan anvende alt det, vi lærer, vi kan udvikle bimodale robotter, der kan skifte til og fra luften i en lang række forskellige miljøer og øge alsidigheden af ​​luftrobotter, som vi har i dag, " sagde Chin.

Mod den ende, Roderick arbejder på at designe de mekanismer, der ville efterligne fuglenes gribende form og fysik.

"En anvendelse af dette arbejde, som jeg er interesseret i, er at have siddende robotter, der kan fungere som et team af bitte små videnskabsmænd, der laver optagelser, autonomt, til feltforskning i skove eller jungler, " sagde Roderick. "Jeg nyder virkelig at trække fra det grundlæggende inden for ingeniørvidenskab og anvende dem på nye områder for at skubbe grænserne for, hvad der tidligere er opnået, og hvad der er kendt."