Stanford-ingenieurs creëren neerstrijkende vogelachtige robot

Net als sneeuwvlokken zijn geen twee takken hetzelfde. Ze kunnen verschillen in grootte, vorm en textuur; sommige kunnen nat of met mos bedekt zijn of barsten van de uitlopers. En toch kunnen vogels op zowat elk van hen landen. Dit vermogen was van groot belang voor de laboratoria van de ingenieurs Mark Cutkosky en David Lentink van Stanford University - nu aan de Universiteit van Groningen in Nederland - die beide technologieën hebben ontwikkeld die zijn geïnspireerd op dierlijke vermogens.

"Het is niet gemakkelijk om na te bootsen hoe vogels vliegen en neerstrijken", zegt William Roderick, PhD '20, die in beide laboratoria afstudeerde. "Na miljoenen jaren van evolutie maken ze het opstijgen en landen zo gemakkelijk, zelfs tussen alle complexiteit en variabiliteit van de boomtakken die je in een bos zou vinden."

Jarenlang onderzoek naar op dieren geïnspireerde robots in het Cutkosky Lab en op vogels geïnspireerde luchtrobots in het Lentink Lab stelden de onderzoekers in staat om hun eigen neerstrijkende robot te bouwen. Wanneer ze zijn bevestigd aan een quadcopter-drone, vormt hun "stereotype, door de natuur geïnspireerde luchtgrijper", of SNAG, een robot die rond kan vliegen, objecten kan vangen en dragen en op verschillende oppervlakken kan neerstrijken. De onderzoekers toonden de potentiële veelzijdigheid van dit werk en gebruikten het om verschillende soorten vogelteenarrangementen te vergelijken en om microklimaten in een afgelegen bos in Oregon te meten.

In eerdere studies van de onderzoekers naar papegaaien - de op een na kleinste papegaaiensoort - vlogen de kleine vogels heen en weer tussen speciale zitstokken, terwijl ze werden vastgelegd door vijf hogesnelheidscamera's. De zitstokken - die verschillende maten en materialen vertegenwoordigen, waaronder hout, schuim, schuurpapier en teflon - bevatten ook sensoren die de fysieke krachten vastlegden die verband houden met het landen, neerstrijken en opstijgen van de vogels.

"Wat ons verraste, was dat ze dezelfde luchtmanoeuvres uitvoerden, ongeacht op welke oppervlakken ze landden", zegt Roderick, hoofdauteur van het artikel. "Ze laten de voeten de variabiliteit en complexiteit van de oppervlaktetextuur zelf aan." Dit formuleachtige gedrag dat bij elke vogellanding wordt gezien, is de reden waarom de "S" in SNAG staat voor "stereotyped".

Net als de papegaaitjes benadert SNAG elke landing op dezelfde manier. Maar om rekening te houden met de grootte van de quadcopter, is SNAG gebaseerd op de poten van een slechtvalk. In plaats van botten heeft het een 3D-geprinte structuur - die 20 iteraties nodig had om te perfectioneren - en motoren en vislijn staan ​​in voor spieren en pezen.

Elk been heeft zijn eigen motor om heen en weer te bewegen en een andere om het grijpen aan te kunnen. Geïnspireerd door de manier waarop pezen rond de enkel lopen bij vogels, absorbeert een soortgelijk mechanisme in het been van de robot de energie van de landing en zet deze passief om in grijpkracht. Het resultaat is dat de robot een bijzonder sterke en snelle koppeling heeft die in 20 milliseconden kan worden geactiveerd om te sluiten. Eenmaal om een ​​tak gewikkeld, vergrendelen de enkels van SNAG en een versnellingsmeter op de rechtervoet meldt dat de robot is geland en activeert een balancerend algoritme om hem te stabiliseren.

Tijdens COVID-19 verplaatste Roderick apparatuur, waaronder een 3D-printer, van Lentink's lab in Stanford naar het landelijke Oregon, waar hij een kelderlab oprichtte voor gecontroleerd testen. Daar stuurde hij SNAG langs een railsysteem dat de robot op verschillende oppervlakken lanceerde, met vooraf gedefinieerde snelheden en oriëntaties, om te zien hoe hij presteerde in verschillende scenario's. Met SNAG op zijn plaats bevestigde Roderick ook het vermogen van de robot om met de hand gegooide voorwerpen te vangen, waaronder een prooidummy, een maisgat-zitzak en een tennisbal. Ten slotte waagden Roderick en SNAG zich in het nabijgelegen bos voor een paar proefritten in de echte wereld.

Over het algemeen presteerde SNAG zo goed dat de volgende stappen in de ontwikkeling zich waarschijnlijk zullen concentreren op wat er gebeurt vóór de landing, zoals het verbeteren van het situationeel bewustzijn en de vluchtcontrole van de robot.

Toepassingen

Er zijn talloze mogelijke toepassingen voor deze robot, waaronder zoek- en reddingsacties en bewaking van natuurbranden; het kan ook worden gekoppeld aan andere technologieën dan drones. De nabijheid van SNAG tot vogels zorgt ook voor unieke inzichten in de biologie van vogels. De onderzoekers lieten de robot bijvoorbeeld werken met twee verschillende teenarrangementen - anisodactyl, die drie tenen vooraan en één achteraan heeft, zoals een slechtvalk, en zygodactyl, die twee tenen vooraan en twee achteraan heeft, zoals een papegaai. Ze ontdekten tot hun verbazing dat er weinig prestatieverschil was tussen de twee.

Voor Roderick, wiens ouders beide biologen zijn, is een van de meest opwindende mogelijke toepassingen voor SNAG in milieuonderzoek. Daartoe bevestigden de onderzoekers ook een temperatuur- en vochtigheidssensor aan de robot, waarmee Roderick het microklimaat in Oregon registreerde.

"Een deel van de onderliggende motivatie van dit werk was het creëren van hulpmiddelen die we kunnen gebruiken om de natuurlijke wereld te bestuderen", zegt Roderick. "Als we een robot zouden hebben die zich als een vogel zou kunnen gedragen, zou dat volledig nieuwe manieren kunnen bieden om de omgeving te bestuderen."