Птицы освоили искусство приземления на сложные поверхности, такие как грубые, текстурированные ветви деревьев. Теперь новый робот, разработанный инженерами Стэнфорда, обладает полезным набором птичьих особенностей, таких как когти, подушечки пальцев, изогнутые ступни и сгибающиеся ноги, которые позволяют ему плавно приземляться в любом месте.
Бот, летающее устройство типа Франкенштейна, имеет четыре набора пропеллеров сверху, которые управляют им, и две ноги снизу. Ноги похожи на ноги птицы, которую можно увидеть из окна, но они прикреплены к квадрокоптеру.
Исследование, опубликованное в среду в журнале Science Robotics, подробно описывает разработку бота, который требует минимальных вычислительных мощностей от своей платы управления. Это позволяет в будущем использовать его в других проектах, не занимая много вычислительного пространства, оставляя место для других целей, таких как наблюдение, запись, другие движения и многое другое. Роботизированные птицеподобные ноги также могут быть использованы для моделирования того, как двигаются и функционируют птичьи ноги, без необходимости привлечения настоящих птиц.
"В итоге мы разработали робота, который может приземляться, как это делают птицы, - говорит Дэвид Лентинк, старший инженер-исследователь, участвующий в разработке, - и мы пришли к этому путем изучения того, как птицы совершают посадку на действительно сложные поверхности".
Сначала команде необходимо было создать первоначальный прототип на основе предыдущих исследований в области морфологии птиц. Они изучили имеющиеся тексты и трупы птиц и постарались получить как можно больше информации, не прибегая к помощи живых птиц.
Лентинк и команда прошли через множество итераций ног робота, чтобы добиться правильного эффекта захвата поверхности, например, ветвей деревьев. Они проверяли каждую итерацию на правильность приземления с помощью другой автоматической машины, которая каждый раз запускала бота-птицу на дерево одинаковым способом. Если ноги не могли зацепиться за поверхность, робот падал с ветки, и команда перенастраивала характеристики и повторяла попытку, пока не добивалась нужного результата.
Ранние версии робота имели ноги, которые были направлены на амортизацию, а не на подражание птичьим характеристикам, но поскольку эти версии не могли схватить ветку, на которую их бросали, структуры робота в конечном итоге эволюционировали (благодаря работе исследователей), чтобы стать более похожими на птичьи. Команда изменила конструкцию с одной ноги на две, поскольку испытания показали, что наличие обеих ног помогает роботу балансировать на асимметричных поверхностях. Они также заменили плоские резиновые накладки на ногах робота на более волнистые, с шероховатой поверхностью, но все еще мягкие (резина оказалась слишком скользкой для захвата веток). Они заменили разработанные крючки на 3D-печатные конструкции, похожие на когти, поскольку острота крючков мешала работе.
"Существует целая механика, позволяющая схватить сложную поверхность, о которой вы не имеете ни малейшего представления, как она выглядит", - говорит Лентинк.
Помимо функций, команда должна была добиться правильного движения ноги. Последние ноги бота-птицы могут сгибаться в двух суставах, что позволяет ему ухватиться за ветку, согнув первый сустав перед вторым, как если бы вы сгибали запястье, а затем пальцы, чтобы схватить что-то. Ноги также сгибаются при соприкосновении с веткой, чтобы поглотить удар, что, в свою очередь, создает напряжение для ступней и пальцев ног, чтобы обхватить ветку. Эти особенности позволяют боту адаптироваться при контакте с любой поверхностью, с которой он взаимодействует.
"Наконец, когда мы добились правильного баланса", - говорит Лентинк, - "мы могли надежно и многократно садиться на действительно сложные поверхности".
Несмотря на 190 попыток подбрасывания, бот для птиц практически не нарушил целостность своей структуры и продолжал хвататься за ветки. Бот не только смог многократно повторить это, но и сделал это без особых вычислений со стороны органов управления. Поскольку ноги достаточно приспособлены для приземления робота, искусственный интеллект не понадобился. Лентинк объяснил, что это оставляет место для полета, наблюдения и других движений, которые могут быть запрограммированы в функции посадки, если в будущем они будут добавлены в более сложные машины.
Бот на птичьих ногах также открывает возможности для адаптируемого шасси, которое может уменьшить потребность в посадочных полосах и вертолетных площадках. Другие небольшие беспилотники могут летать только очень долго, но с такими ногами эта технология открывает возможность для беспилотников приземляться во время наблюдения, снижая общее энергопотребление.
"Если мы наденем очки для птиц, - говорит Лентинк, - и посмотрим, как выглядит мир, мы сможем приземлиться везде".