智東西12月3日 報(bào)道，12月1日，斯坦福大學(xué)的一項(xiàng)新成果登上國(guó)際學(xué)術(shù)頂刊《科學(xué)》的子刊《科學(xué)·機(jī)器人學(xué)》封面。 研究人員受鳥(niǎo)類(lèi)啟發(fā)，研發(fā)出一款名為SNAG的自動(dòng)“機(jī)器腳爪”，可以使無(wú)人機(jī)能夠在復(fù)雜的表面起飛和降落，并捕捉空中的物體。

多年來(lái)，無(wú)人機(jī)已經(jīng)可以在天空上自由飛行，卻并沒(méi)有掌握穩(wěn)定的著陸能力，經(jīng)常“栽跟頭”。鳥(niǎo)類(lèi)幾乎可以用腳爪纏住任何東西，掠過(guò)海浪尖的鵜鶘可以突然降落在碼頭的樁上，貓頭鷹能以64km/h的速度俯沖下抓住一只老鼠，這為斯坦福大學(xué)的研究人員帶來(lái)了啟迪。

他們以一種名為游隼的猛禽為參照，采用3D打印的方式打造了這款名為SNAG“機(jī)器腳爪”。它可以助一個(gè)無(wú)人機(jī)鎖定與它們接觸的任何東西，無(wú)論是可以棲息的樹(shù)枝，還是空中拋落的球體。未來(lái)有一天，它可能使無(wú)人機(jī)飛到任何地方，甚至成為能“捕獵”的無(wú)人機(jī)。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abj7562

01“帶爪”無(wú)人機(jī)飛入森林，能抓沙袋能接球

世界上沒(méi)有兩片相同的雪花，樹(shù)枝也是一樣，每根樹(shù)枝的大小、形狀和質(zhì)地存在差異，比如有些可能是濕潤(rùn)的，或長(zhǎng)滿了苔蘚，或有分叉。不過(guò)，鳥(niǎo)類(lèi)落在樹(shù)枝上時(shí)，不受這些樹(shù)枝情況的影響，哪里都可以著陸。

斯坦福大學(xué)工程師馬克·卡特科斯基（Mark Cutkosky）和大衛(wèi)·倫廷克（David Lentink）實(shí)驗(yàn)室的研究人員對(duì)鳥(niǎo)類(lèi)的著陸能力非常感興趣。倫廷克說(shuō)：“對(duì)于我們來(lái)說(shuō)，有個(gè)想法很鼓舞人心——如果設(shè)計(jì)不同的起落架，機(jī)器人就可以在任何地方著陸。”

于是，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室的研究人員共同為“空中機(jī)器人”開(kāi)發(fā)了一種自動(dòng)“機(jī)器腳爪”，名為SNAG。像真實(shí)的鳥(niǎo)類(lèi)一樣，SNAG每次都以相同的方式靠近物體并著陸。

SNAG能夠成功抓握住空中的豆袋和網(wǎng)球，并在觸發(fā)時(shí)以受控方式釋放它們。論文提到，其腳和物體之間的速度差約為5 m/s，與大多數(shù)猛禽的動(dòng)態(tài)捕捉行為相比，這是小到中等水平。要知道，豆袋和網(wǎng)球都具有與游隼獵物相似的大小和重量。

最后，羅德里克帶著SNAG進(jìn)入附近的森林，在現(xiàn)實(shí)世界中，進(jìn)行一些試運(yùn)行。團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)鳥(niǎo)類(lèi)進(jìn)近過(guò)程中盡管腳部誤差很大，但仍能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的近水平著陸。

總體而言，SNAG表現(xiàn)非常好，對(duì)其的下一步開(kāi)發(fā)可能會(huì)集中在著陸前的動(dòng)作優(yōu)化上，例如提高機(jī)器人的態(tài)勢(shì)感知和飛行控制能力。

該研究的第一作者羅德里克說(shuō)：“令我們驚訝的是，無(wú)論鸚鵡落在什么樣的表面上，它們都做了同樣的空中機(jī)動(dòng)動(dòng)作，用腳處理著陸材料表面紋理的可變性和復(fù)雜性?！盨NAG研發(fā)期間經(jīng)過(guò)了20次的迭代完善，最終才實(shí)現(xiàn)較好效果。

02比照真鳥(niǎo)3D打印，實(shí)現(xiàn)兩大機(jī)制

SNAG的設(shè)計(jì)靈感來(lái)自鳥(niǎo)類(lèi)后肢的功能解剖結(jié)構(gòu)，包含一個(gè)受鳥(niǎo)類(lèi)啟發(fā)的雙足足部和腿部系統(tǒng)，質(zhì)量約為250g。

在眾多鳥(niǎo)類(lèi)中，游隼的腿長(zhǎng)和腿重在鳥(niǎo)類(lèi)中具備普遍性，且可以每小時(shí)200英里的速度俯沖，并用爪子抓住其他鳥(niǎo)類(lèi)。SNAG的腿長(zhǎng)尺寸、腳趾長(zhǎng)度和爪子大小都是等比例參照兩只750g的游隼，經(jīng)過(guò)3D打印而來(lái)。

為了讓更好地把握鳥(niǎo)類(lèi)特征，研究人員曾對(duì)世界第二小的鸚鵡物種進(jìn)行研究，包括同時(shí)用5個(gè)高速攝像機(jī)記錄這些矮小鳥(niǎo)類(lèi)在特殊棲木上來(lái)回飛行的動(dòng)作，還使用傳感器，捕獲鳥(niǎo)類(lèi)著陸、棲息和起飛相關(guān)的物理力的數(shù)據(jù)。

鳥(niǎo)腿和腳趾的剛性結(jié)構(gòu)由骨骼和軟骨組成，通過(guò)韌帶連接在一起，并通過(guò)肌腱連接由肌肉驅(qū)動(dòng)。類(lèi)似地，SNAG機(jī)器爪的剛性結(jié)構(gòu)由硬塑料制成，抓取動(dòng)作由一種人造肌腱和串聯(lián)彈簧驅(qū)動(dòng)，每條腿由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

更進(jìn)一步來(lái)看，SNAG主要參考了真實(shí)游隼的兩個(gè)關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)機(jī)制，分別稱(chēng)為數(shù)字屈肌機(jī)制（DFM）和肌腱鎖定機(jī)制（TLM）。

DFM是一種類(lèi)似鳥(niǎo)類(lèi)降落站定時(shí)，降低沖擊力的機(jī)制。也就是鳥(niǎo)腿降落中通過(guò)折疊的動(dòng)作，沖擊力可以被轉(zhuǎn)化為更加強(qiáng)大的抓握力。SNAG則通過(guò)肌腱彈簧拉伸，被動(dòng)吸收沖擊力，轉(zhuǎn)而獲得比電機(jī)驅(qū)動(dòng)的更大抓握力。

再看看TLM，這在鳥(niǎo)類(lèi)的運(yùn)動(dòng)中是在每個(gè)腳趾肌腱相互作用下鎖定住抓握狀態(tài)、防止回彈的機(jī)制。SNAG將TLM模擬物與腳踝鎖定棘輪結(jié)合在一起，使SNAG能夠在腿部折疊時(shí)保持來(lái)自DFM的額外抓地力的同時(shí)，防止回彈，從而讓動(dòng)作更穩(wěn)。

為了更加還原真實(shí)鳥(niǎo)類(lèi)的抓握能力，SNAG可以說(shuō)在很多細(xì)節(jié)上都高度還原了鳥(niǎo)類(lèi)結(jié)構(gòu)。比如，與鳥(niǎo)類(lèi)腳爪類(lèi)似的是，SNAG的腳設(shè)有趾墊產(chǎn)生的摩擦，并且被指爪半包裹著，使SNAG可靠地掌握復(fù)雜的表面并保持牢固。

03可用于搜索、救援讓無(wú)人機(jī)更省電

實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)人員威廉·羅德里克（William Roderick）說(shuō)：“模仿鳥(niǎo)類(lèi)的飛行和休息方式并不容易。鳥(niǎo)類(lèi)經(jīng)歷了數(shù)百萬(wàn)年進(jìn)化，這使鳥(niǎo)類(lèi)看上去很容易完成起飛和著陸，即使森林中的樹(shù)枝形態(tài)復(fù)雜、多變?！?/p>

如果技術(shù)落地，SNAG將有無(wú)數(shù)種可能的應(yīng)用，包括搜索、救援和野火監(jiān)測(cè)等等，它也可以添加到無(wú)人機(jī)以外的應(yīng)用上。SNAG還可以應(yīng)用于環(huán)境研究，在進(jìn)入森林的實(shí)驗(yàn)中，研究人員在機(jī)器人上安裝了一個(gè)溫度和濕度傳感器，羅德里克用他來(lái)記錄實(shí)驗(yàn)地俄勒岡州的小氣候。

羅德里克說(shuō)：“這項(xiàng)工作的部分潛在動(dòng)機(jī)是創(chuàng)造我們可以用來(lái)研究自然界的工具，如果我們能擁有一個(gè)像鳥(niǎo)一樣行動(dòng)的機(jī)器人，那將開(kāi)啟環(huán)境研究的全新方式。”

SNAG仍存在局限性，那就是它不是自主的。為了進(jìn)行這些實(shí)驗(yàn)，飛行員必須遠(yuǎn)程控制機(jī)器人。不過(guò)，倫廷克和他的同事們正在研究一種方法，讓機(jī)器人定位樹(shù)枝，計(jì)算如何接近它，并自行著陸。

SNAG并不是第一款帶腿的飛行器，在2019年，加州理工學(xué)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?yàn)閷o(wú)人機(jī)懸停在適當(dāng)位置以監(jiān)視區(qū)域會(huì)迅速耗盡電池電量。

04結(jié)語(yǔ)：仿生機(jī)器人發(fā)展迅速仍面臨自動(dòng)化難題

在鳥(niǎo)類(lèi)的啟迪下，研究人員為無(wú)人機(jī)裝上了“腳爪”，實(shí)現(xiàn)在不平坦環(huán)境下的順利降落，甚至進(jìn)化為“捕手”。背后，不僅是對(duì)鳥(niǎo)類(lèi)腿和爪的結(jié)構(gòu)的復(fù)制，更是對(duì)其中運(yùn)動(dòng)機(jī)制的借鑒，需要大量的數(shù)據(jù)收集和實(shí)地試驗(yàn)。

近年來(lái)，仿生機(jī)器人成為越來(lái)越熱門(mén)的方向，無(wú)論是機(jī)器狗、機(jī)器魚(yú)還是現(xiàn)在模仿鳥(niǎo)類(lèi)的機(jī)器爪，都在解決很多機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的難題。但與此同時(shí)，這些仿生類(lèi)機(jī)器設(shè)備很多仍難實(shí)現(xiàn)自主化地運(yùn)動(dòng)，有目地自主執(zhí)行任務(wù)，仍需要研究人員進(jìn)一步探究。

來(lái)源：《科學(xué)·機(jī)器人學(xué)》、Techxplore、Wired.

本文來(lái)自微信公眾號(hào) “智東西”（ID：zhidxcom），作者：楊暢 李水青，編輯：心緣，36氪經(jīng)授權(quán)發(fā)布。

關(guān)鍵詞： 斯坦福 無(wú)人機(jī) 獵鷹