斯坦福发明“长腿”无人机!等比例模仿猎鹰,能空中抓球、树上栖息

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12月2日报道,12月1日,斯坦福大学的一项新成果登上国际学术顶刊《科学》的子刊《科学·机器人学》封面。研究人员受鸟类启发,研发出一款名为SNAG的自动“机器脚爪”,可以使无人机能够在复杂的表面起飞和降落,并捕捉空中的物体。

多年来,无人机已经可以在天空上自由飞行,却并没有掌握稳定的着陆能力,经常“栽跟头”。鸟类几乎可以用脚爪缠住任何东西,掠过海浪尖的鹈鹕可以突然降落在码头的桩上,猫头鹰能以64km/h的速度俯冲下抓住一只老鼠,这为斯坦福大学的研究人员带来了启迪。

他们以一种名为游隼的猛禽为参照,采用3D打印的方式打造了这款名为SNAG“机器脚爪”。它可以助一个无人机锁定与它们接触的任何东西,无论是可以栖息的树枝,还是空中抛落的球体。未来有一天,它可能使无人机飞到任何地方,甚至成为能“捕猎”的无人机。

一、“带爪”无人机飞入森林,能抓沙袋能接球

世界上没有两片相同的雪花,树枝也是一样,每根树枝的大小、形状和质地存在差异,比如有些可能是湿润的,或长满了苔藓,或有分叉。不过,鸟类落在树枝上时,不受这些树枝情况的影响,哪里都可以着陆。

斯坦福大学工程师马克·卡特科斯基(Mark Cutkosky)和大卫·伦廷克(David Lentink)实验室的研究人员对鸟类的着陆能力非常感兴趣。伦廷克说:“对于我们来说,有个想法很鼓舞人心——如果设计不同的起落架,机器人就可以在任何地方着陆。”

于是,两个实验室的研究人员共同为“空中机器人”开发了一种自动“机器脚爪”,名为SNAG。像真实的鸟类一样,SNAG每次都以相同的方式靠近物体并着陆。

SNAG能够成功抓握住空中的豆袋和网球,并在触发时以受控方式释放它们。论文提到,其脚和物体之间的速度差约为5 m/s,与大多数猛禽的动态捕捉行为相比,这是小到中等水平。要知道,豆袋和网球都具有与游隼猎物相似的大小和重量。

最后,罗德里克带着SNAG进入附近的森林,在现实世界中,进行一些试运行。团队发现动态鸟类进近过程中尽管脚部误差很大,但仍能实现稳健的近水平着陆。

总体而言,SNAG表现非常好,对其的下一步开发可能会集中在着陆前的动作优化上,例如提高机器人的态势感知和飞行控制能力。

该研究的第一作者罗德里克说:“令我们惊讶的是,无论鹦鹉落在什么样的表面上,它们都做了同样的空中机动动作,用脚处理着陆材料表面纹理的可变性和复杂性。”SNAG研发期间经过了20次的迭代完善,最终才实现较好效果。

二、比照真鸟3D打印,实现两大机制

SNAG的设计灵感来自鸟类后肢的功能解剖结构,包含一个受鸟类启发的双足足部和腿部系统,质量约为250g。

在众多鸟类中,游隼的腿长和腿重在鸟类中具备普遍性,且可以每小时200英里的速度俯冲,并用爪子抓住其他鸟类。SNAG的腿长尺寸、脚趾长度和爪子大小都是等比例参照两只750g的游隼,经过3D打印而来。

为了让更好地把握鸟类特征,研究人员曾对世界第二小的鹦鹉物种进行研究,包括同时用5个高速摄像机记录这些矮小鸟类在特殊栖木上来回飞行的动作,还使用传感器,捕获鸟类着陆、栖息和起飞相关的物理力的数据。

鸟腿和脚趾的刚性结构由骨骼和软骨组成,通过韧带连接在一起,并通过肌腱连接由肌肉驱动。类似地,SNAG机器爪的刚性结构由硬塑料制成,抓取动作由一种人造肌腱和串联弹簧驱动,每条腿由一个电机驱动。

更进一步来看,SNAG主要参考了真实游隼的两个关键运动机制,分别称为数字屈肌机制(DFM)和肌腱锁定机制(TLM)。

DFM是一种类似鸟类降落站定时,降低冲击力的机制。也就是鸟腿降落中通过折叠的动作,冲击力可以被转化为更加强大的抓握力。SNAG则通过肌腱弹簧拉伸,被动吸收冲击力,转而获得比电机驱动的更大抓握力。

再看看TLM,这在鸟类的运动中是在每个脚趾肌腱相互作用下锁定住抓握状态、防止回弹的机制。SNAG将TLM模拟物与脚踝锁定棘轮结合在一起,使SNAG能够在腿部折叠时保持来自DFM的额外抓地力的同时,防止回弹,从而让动作更稳。

为了更加还原真实鸟类的抓握能力,SNAG可以说在很多细节上都高度还原了鸟类结构。比如,与鸟类脚爪类似的是,SNAG的脚设有趾垫产生的摩擦,并且被指爪半包裹着,使SNAG可靠地掌握复杂的表面并保持牢固。

三、可用于搜索、救援,让无人机更省电

实验室团队人员威廉·罗德里克(William Roderick)说:“模仿鸟类的飞行和休息方式并不容易。鸟类经历了数百万年进化,这使鸟类看上去很容易完成起飞和着陆,即使森林中的树枝形态复杂、多变。”

如果技术落地,SNAG将有无数种可能的应用,包括搜索、救援和野火监测等等,它也可以添加到无人机以外的应用上。SNAG还可以应用于环境研究,在进入森林的实验中,研究人员在机器人上安装了一个温度和湿度传感器,罗德里克用他来记录实验地俄勒冈州的小气候。

罗德里克说:“这项工作的部分潜在动机是创造我们可以用来研究自然界的工具,如果我们能拥有一个像鸟一样行动的机器人,那将开启环境研究的全新方式。”

SNAG仍存在局限性,那就是它不是自主的。为了进行这些实验,飞行员必须远程控制机器人。不过,伦廷克和他的同事们正在研究一种方法,让机器人定位树枝,计算如何接近它,并自行着陆。

SNAG并不是第一款带腿的飞行器,在2019年,加州理工学院的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,因为将无人机悬停在适当位置以监视区域会迅速耗尽电池电量。

结语:仿生机器人发展迅速,仍面临自动化难题

在鸟类的启迪下,研究人员为无人机装上了“脚爪”,实现在不平坦环境下的顺利降落,甚至进化为“捕手”。背后,不仅是对鸟类腿和爪的结构的复制,更是对其中运动机制的借鉴,需要大量的数据收集和实地试验。

近年来,仿生机器人成为越来越热门的方向,无论是机器狗、机器鱼还是现在模仿鸟类的机器爪,都在解决很多机器人运动的难题。但与此同时,这些仿生类机器设备很多仍难实现自主化地运动,有目地自主执行任务,仍需要研究人员进一步探究。

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