斯坦福大學(xué)工程師3D打印鳥類機(jī)器人

盡管每棵樹的樹枝都不相同，但是鳥類卻能夠停落在這些樹枝上。斯坦福大學(xué)工程師Mark Cutkosky和David Lentink開發(fā)了一個(gè)機(jī)器人，擁有像鳥一樣的腳和腿，也能夠?qū)崿F(xiàn)像鳥一樣的棲息和搬運(yùn)物體。

20歲的 William Roderick博士說："模仿鳥類的飛行和棲息方式并不容易，經(jīng)過數(shù)百萬年的進(jìn)化，它們使起飛和降落看起來如此容易，即使在你在森林中發(fā)現(xiàn)的所有復(fù)雜和多變的樹枝中也是如此。"

在Cutkosky實(shí)驗(yàn)室對(duì)動(dòng)物啟發(fā)的機(jī)器人和在Lentink實(shí)驗(yàn)室對(duì)鳥類啟發(fā)的空中機(jī)器人進(jìn)行了多年的研究，使研究人員能夠建立他們自己的棲息機(jī)器人，詳細(xì)內(nèi)容見12月1日發(fā)表在《Science Robotics》上的一篇論文。當(dāng)連接到一架四旋翼無人機(jī)上時(shí)，形成了一個(gè)可以飛來飛去、抓取和攜帶物體并在各種表面棲息的機(jī)器人。研究人員用它來比較不同類型的鳥類腳趾排列，并測(cè)量俄勒岡州一個(gè)偏遠(yuǎn)森林中的微氣候，顯示了這項(xiàng)工作的潛在多功能性。

森林中的鳥類機(jī)器人

在研究人員之前對(duì)鸚鵡的研究中，身材矮小的鳥兒在特殊的棲息地之間來回飛翔，同時(shí)被五個(gè)高速攝像機(jī)記錄下來。棲架--代表各種尺寸和材料，包括木頭、泡沫、砂紙和特氟隆--還包含傳感器，可以捕捉到與鳥類著陸、棲息和起飛有關(guān)的物理力。

就像鸚鵡一樣，鳥類機(jī)器人以同樣的方式對(duì)待每一次落地。但是，為了說明四旋翼飛機(jī)的尺寸，鳥類機(jī)器人是以游隼的腿為基礎(chǔ)的。它有一個(gè)3D打印的結(jié)構(gòu)，花了20次迭代才完善，代替骨頭，電機(jī)和魚線代替肌肉和肌腱。

每條腿都有自己的馬達(dá)，用于前后移動(dòng)，另一條腿用于處理抓取。受鳥類腳踝處肌腱走向的啟發(fā)，機(jī)器人腿部的一個(gè)類似機(jī)制吸收著陸時(shí)的沖擊能量，并被動(dòng)地將其轉(zhuǎn)化為抓取力。結(jié)果是，機(jī)器人有一個(gè)特別強(qiáng)大的高速離合器，可以在20毫秒內(nèi)被觸發(fā)關(guān)閉。一旦纏住樹枝，鳥類機(jī)器人的腳踝就會(huì)被鎖定，右腳上的加速器報(bào)告機(jī)器人已經(jīng)著陸，并觸發(fā)平衡算法來穩(wěn)定它。

Roderick將包括一臺(tái)3D打印機(jī)在內(nèi)的設(shè)備從斯坦福大學(xué)的Lentink實(shí)驗(yàn)室搬到了俄勒岡州的農(nóng)村，在那里他建立了一個(gè)地下室實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行控制測(cè)試。他讓鳥類機(jī)器人沿著一個(gè)軌道系統(tǒng)，以預(yù)定的速度和方向向不同的表面發(fā)射機(jī)器人，以觀察它在各種情況下的表現(xiàn)。最后，Roderick還冒險(xiǎn)進(jìn)入附近的森林，在真實(shí)世界中進(jìn)行一些試運(yùn)行。

這種機(jī)器人有無數(shù)可能的應(yīng)用，包括搜索和救援以及野火監(jiān)測(cè)；它還可以附加到無人機(jī)以外的技術(shù)上。鳥類機(jī)器人與鳥類的親近也讓我們對(duì)鳥類生物學(xué)有了獨(dú)特的見解。例如，研究人員用兩種不同的腳趾排列方式運(yùn)行機(jī)器人，它有三個(gè)腳趾在前面，一個(gè)在后面，像游隼一樣。兩個(gè)腳趾在前面，兩個(gè)在后面，像鸚鵡。他們驚訝地發(fā)現(xiàn)，兩者之間的性能差異很小。

研究人員還在機(jī)器人上安裝了一個(gè)溫度和濕度傳感器，Roderick用它來記錄俄勒岡州的氣候。

Lentink贊揚(yáng)了Roderick在一個(gè)長(zhǎng)達(dá)數(shù)年的項(xiàng)目中的堅(jiān)持不懈。