Stanford-ingenieurs bouwen vogelachtige robot die met precisie kan zitten

Net als sneeuwvlokken zijn geen twee takken hetzelfde. Ze verschillen in grootte, vorm en textuur; sommige zijn nat, bedekt met mos of vol met uitlopers. Toch kunnen vogels op bijna elke tak landen. Deze vaardigheid was van groot belang voor de laboratoria van Stanford-ingenieurs Mark Cutkosky en David Lentink — die nu aan de Universiteit van Groningen in Nederland werkzaam is — die allebei technologieën ontwikkelen geïnspireerd op dierlijke vaardigheden.

"Het is niet makkelijk om na te bootsen hoe vogels vliegen en zitten," zei William Roderick, PhD '20, die promovendus was in beide laboratoria. "Na miljoenen jaren evolutie laten ze opstijgen en landen zo makkelijk zien, zelfs tussen al de complexiteit en variabiliteit van de takken die je in een bos zou vinden."

Jarenlange studie naar diergeïnspireerde robots in het Cutkosky Lab en vogelgeïnspireerde luchtrobots in het Lentink Lab stelden de onderzoekers in staat hun eigen zittende robot te bouwen. Bevestigd aan een quadcopter-drone vormt hun "stereotyped nature-inspired aerial grasper" (SNAG) een robot die kan vliegen, objecten kan vangen en dragen, en op diverse oppervlakken kan zitten. Om de veelzijdigheid van dit werk te demonstreren, gebruikten de onderzoekers het om verschillende teenconfiguraties van vogels te vergelijken en om microklimaten in een afgelegen Oregons bos te meten.

Van parkietjes tot robotbenen

In eerdere studies naar parkietjes — de op een na kleinste papegaaiensoort — vlogen de kleine vogels heen en weer tussen speciale zitstokken, terwijl ze gefilmd werden door vijf high-speed camera's. De zitstokken — die een verscheidenheid aan formaten en materialen vertegenwoordigden, waaronder hout, schuim, schuurpapier en Teflon — bevatten ook sensoren die de fysieke krachten maatten die gepaard gaan met de landings, zittende en opstijgende bewegingen van de vogels.

"Wat ons verbaasde was dat ze dezelfde luchtmanoeuvres uitvoerden, ongeacht welk oppervlak ze landden," zei Roderick, die eerste auteur is van het artikel. "Ze lieten de voeten de variabiliteit en complexiteit van de oppervlaktetextuur zelf aan." Dit formulele gedrag dat in elke vogellanding wordt gezien, is de reden waarom de "S" in SNAG staat voor "stereotyped" (stereotiep).

Net als de parkietjes benadert SNAG elke landing op dezelfde manier. Maar om rekening te houden met de grootte van de quadcopter, is SNAG gebaseerd op de benen van een slechtvalk. In plaats van botten heeft het een 3D-geprint structuur — die 20 iteraties nodig had om perfect te worden — en motoren en vislijn die fungeren als spieren en pezen.

Elke been heeft een eigen motor voor het bewegen heen en weer en een andere voor het grijpen. Geïnspireerd op de manier waarop pezen om de enkel van vogels lopen, absorbeert een vergelijkbaar mechanisme in de robotbeen de landingsenergie en converteert deze passief in grijpkracht. Het resultaat is dat de robot een uitzonderlijk sterke en snelle koppeling heeft die binnen 20 milliseconden kan sluiten. Eenmaal om een tak gewikkeld, vergrendelen SNAG's enkels en rapporteert een versnellingsmeter op de rechtervoet dat de robot is geland, wat een balansalgoritme activeert om het te stabiliseren.

Testen tijdens COVID-19

Tijdens de COVID-19-pandemie verhuisde Roderick apparatuur, waaronder een 3D-printer, van Lentinks lab in Stanford naar het plattelandsgebied van Oregon, waar hij een kelderlab opzette voor gecontroleerde tests. Daar liet hij SNAG langs een railsysteem gaan dat de robot met vooraf gedefinieerde snelheden en oriëntaties op verschillende oppervlakten lanceerde, om te zien hoe het presteerde in diverse scenario's. Met SNAG vastgezet, bevestigde Roderick ook de vermogen van de robot om handgeworpen objecten te vangen, waaronder een prooidummy, een zakje voor cornhole en een tennisbal. Tot slot gingen Roderick en SNAG in het nabije bos voor enkele proefritten in de echte wereld.

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

Toepassingen

Er zijn talloze mogelijke toepassingen voor deze robot, waaronder zoek- en reddingsoperaties en bosbrandmonitoring; het kan ook aan andere technologieën dan drones worden bevestigd. SNAG's nabijheid tot vogels stelt ook unieke inzichten in de vogelbiologie toe. Zo lieten de onderzoekers de robot lopen met twee verschillende teenconfiguraties — anisodactyl, met drie tenen vooraan en één achteraan, als een slechtvalk, en zygodactyl, met twee tenen vooraan en twee achteraan, als een parkietje. Zij vonden, tot hun verrassing, dat er nauwelijks prestatieverschil was tussen de twee.

Voor Roderick, wiens ouders allebei biologen zijn, is een van de meest spannende mogelijke toepassingen van SNAG omgevingsonderzoek. Hiervoor bevestigten de onderzoekers ook een temperatuur- en vochtigheidsensor aan de robot, die Roderick gebruikte om het microklimaat in Oregon vast te leggen.

"Een deel van de onderliggende motivatie van dit werk was om tools te creëren die we kunnen gebruiken om de natuurlijke wereld te bestuderen," zei Roderick. "Als we een robot zouden kunnen hebben die zich gedraagt als een vogel, zou dat volledig nieuwe manieren van het bestuderen van het milieu kunnen ontgrendelen."