Инженеры создают робота, похожего на птицу

 


Хватательный робот, разработанный инженерами Стэнфорда на основе исследований птиц.  Уильям Родерик


Как и снежинки, нет двух одинаковых ветвей. Они могут отличаться по размеру, форме и текстуре; некоторые могут быть влажными, покрытыми мхом или покрытыми побегами. И все же птицы могут приземлиться практически на любой из них. Эта способность представляла большой интерес для лабораторий инженеров Стэнфордского университета Марка Каткоски и Дэвида Лентинка—сейчас они работают в Университете Гронингена в Нидерландах,—которые разработали технологии, вдохновленные способностями животных.


"Нелегко имитировать, как птицы летают и садятся", - сказал Уильям Родерик, доктор философии 20-го года, который был аспирантом в обеих лабораториях. "После миллионов лет эволюции они делают взлет и посадку такими легкими, даже среди всей сложности и изменчивости ветвей деревьев, которые вы найдете в лесу".


Годы исследований роботов, вдохновленных животными, в лаборатории Каткоски и воздушных роботов, вдохновленных птицами, в лаборатории Лентинка позволили исследователям создать своего собственного робота-насеста, подробно описанного в статье, опубликованной 1 декабря в журнале Science Robotics. При подключении к дрону-квадрокоптеру их "стереотипный воздушный захват, вдохновленный природой", или ЗАЦЕПКА, формирует робота, который может летать, ловить и переносить предметы и садиться на различные поверхности. Демонстрируя потенциальную универсальность этой работы, исследователи использовали ее для сравнения различных типов расположения ног птиц и измерения микроклимата в отдаленном лесу штата Орегон.


Птичий бот в лесу


В предыдущих исследованиях исследователей попугаев—второго по величине вида попугаев—миниатюрные птицы летали взад и вперед между специальными насестами, регистрируясь пятью высокоскоростными камерами. Насесты, представляющие различные размеры и материалы, включая дерево, пенопласт, наждачную бумагу и тефлон, также содержали датчики, которые фиксировали 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 какие поверхности они приземлялись", - сказал Родерик, ведущий автор статьи. "Они позволяют ногам справляться с изменчивостью и сложностью самой текстуры поверхности". Это шаблонное поведение, наблюдаемое при каждой посадке птицы, объясняет, почему буква "S" в КОРЯГЕ означает "стереотипный".


Так же, как и попугайчики, СНАГ подходит к каждой посадке одинаково. Но, чтобы учесть размер квадрокоптера, SNAG основан на ногах сапсана. Вместо костей он имеет структуру с 3D-печатью, для совершенствования которой потребовалось 20 итераций, а двигатели и леска заменяют мышцы и сухожилия.


Каждая нога имеет свой собственный мотор для перемещения вперед и назад, а другая-для захвата. Вдохновленный тем, как сухожилия проходят вокруг лодыжки у птиц, аналогичный механизм в ноге робота поглощает энергию удара при приземлении и пассивно преобразует ее в силу захвата. В результате робот имеет особенно сильную и высокоскоростную муфту сцепления, которая может быть активирована для закрытия за 20 миллисекунд. Обмотавшись вокруг ветки, лодыжки СНАГА фиксируются, а акселерометр на правой ноге сообщает, что робот приземлился, и запускает алгоритм балансировки, чтобы стабилизировать его.


Во время COVID-19 Родерик перевез оборудование, включая 3D-принтер, из лаборатории Лентинка в Стэнфорде в сельскую местность штата Орегон, где он создал подвальную лабораторию для контролируемых испытаний. Там он отправил СНАГА вдоль рельсовой системы, которая запускала робота на разных поверхностях с заданными скоростями и ориентациями, чтобы посмотреть, как он работает в различных сценариях. Удерживая ЗАЦЕПКУ на месте, Родерик также подтвердил способность робота ловить предметы, брошенные вручную, в том числе манекен для добычи, мешок для кукурузных бобов и теннисный мяч. Наконец, Родерик и СНАГ отважились отправиться в близлежащий лес для пробных запусков в реальном мире.


В целом, SNAG сработал настолько хорошо, что следующие шаги в разработке, скорее всего, будут сосредоточены на том, что происходит перед посадкой, например, на улучшении ситуационной осведомленности робота и управления полетом.


Назад к природе


Существует бесчисленное множество возможных применений для этого робота, включая поисково-спасательные работы и мониторинг лесных пожаров; он также может быть подключен к технологиям, отличным от беспилотных летательных аппаратов. Близость СНАГА к птицам также позволяет получить уникальные знания о биологии птиц. Например, исследователи управляли роботом с двумя различными 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 между ними очень мало различий в производительности.


Для Родерика, чьи родители оба биологи, одно из самых интересных возможных применений SNAG-это исследования окружающей среды. С этой целью исследователи также прикрепили к роботу датчик температуры и влажности, который Родерик использовал для регистрации микроклимата в Орегоне.


"Частью основной мотивации этой работы было создание инструментов, которые мы можем использовать для изучения природного мира", - сказал Родерик. "Если бы у нас был робот, который мог бы действовать как птица, это позволило бы открыть совершенно новые способы изучения окружающей среды".


Лентинк, который является старшим автором статьи, высоко оценил настойчивость Родерика в том, что оказалось многолетним проектом. "Шесть лет назад Уилл действительно поговорил с несколькими экологами в Беркли, а затем написал свою стипендию NSF по летающим воздушным роботам для мониторинга окружающей среды, которая положила начало этому исследованию", - сказал Лентинк. "Исследования Уилла оказались своевременными, потому что в настоящее время существует премия в размере 10 миллионов долларов за эту задачу по мониторингу биоразнообразия в тропических лесах".


Обсудить:

0 comments:

Всегда рады услышать ваше мнение!