Под бдительными взглядами пяти высокоскоростных камер маленькая бледно-голубая птичка по имени Гэри ждет сигнала к полету. Диана чин, аспирант Стэнфордского университета и тренер Гэри, указывает пальцем на насест примерно в 20 дюймах от него. Подвох здесь заключается в том, что окунь покрыт тефлоном, что делает его, казалось бы, невозможно стабильно схватить.
Успешное приземление Гэри на тефлон – и на другие насесты из различных материалов-учит исследователей, как они могут создавать машины, которые приземляются как птица.
“Современные воздушные роботы обычно нуждаются либо в взлетно-посадочной полосе, либо в плоской поверхности для легкого взлета и посадки. Для птицы почти везде есть потенциальное место посадки, даже в городах”, – сказал Чин, который является частью лаборатории Дэвида Лентинка, доцента кафедры машиностроения. “Мы действительно хотели понять, как они достигают этого, а также динамику и силы, которые участвуют.”
Даже самые продвинутые роботы не имеют ничего общего с хватательными способностями животных при работе с объектами различной формы, размера и текстуры. Так, исследователи собрали данные о том, как Гэри и две другие птицы приземляются на различные виды поверхностей, включая различные естественные жерди и искусственные жержи, покрытые пеной, наждачной бумагой и тефлоном.
“Это похоже на просьбу Олимпийского гимнаста приземлиться на покрытые тефлоном высокие брусья, не Меля руки”, – сказал Лентинк, который является старшим автором статьи. Тем не менее, попугайчики сделали то, что кажется почти невозможным для человека, без усилий.
Исследование группы, опубликованное в августе в eLife также включены подробные исследования трения, производимого когтями и ногами птиц. Из этой работы исследователи обнаружили, что секрет универсальности попугайчика заключается в захвате.
“Когда мы смотрим на бегущего человека, прыгающую белку или летящую птицу, ясно, что нам предстоит пройти долгий путь, прежде чем наша технология сможет достичь сложного потенциала этих животных, как с точки зрения эффективности, так и контролируемого атлетизма”, – сказал Уильям Родерик, аспирант по машиностроению в лаборатории Лентинка и лаборатории Марка Каткоски, кафедры Флетчера Джонса в Инженерной школе. “Изучая природные системы, которые развивались на протяжении миллионов лет, мы можем сделать огромные шаги к созданию систем с беспрецедентными возможностями.”
Неприземляться
Жердь в этом исследовании исследователи разделили их пополам, вдоль, в точке, которая примерно совпадает с центром стопы попугая.
Что касается птицы, жердь как одна ветка, но каждая половина сидела на своем собственном 6-осевом датчике силы/крутящего момента. Это означало, что исследователи могли захватить общие силы, которые птица положила на насест во многих направлениях, и как эти силы отличались между половинами, что указывало на то, насколько сильно птицы сжимали.
После того, как птицы взлетели на все девять чувствительных к силе насестов разного размера, мягкости и скользкости, группа начала анализировать первые этапы посадки. Сравнивая различные поверхности жерди, они ожидали увидеть различия в том, как птицы приблизились к жерди и с какой силой они приземлились.
“Когда мы впервые обработали все наши данные о скорости приближения и силах, когда птица приземлялась, мы не видели никаких очевидных различий”, – вспоминал Чин. – Но потом мы начали изучать кинематику лап и когтей – детали того, как они двигались и обнаружили, что они приспосабливают их к посадке.”
Степень, до которой птицы обхватывали пальцы ног и скручивали когти, варьировалась в зависимости от того, с чем они сталкивались при приземлении. На шероховатых или мягких поверхностях – таких как пена среднего размера, наждачная бумага и грубые деревянные жерди – их ноги могли генерировать высокие силы сжатия с небольшой помощью своих когтей. На жердочках, за которые было труднее всего ухватиться – за шелковистую древесину, тефлон и большую березу, – птицы еще сильнее скручивали когти, волоча их по поверхности жердочки, пока не обретали надежную опору.
Это переменное сцепление предполагает, что при создании роботов для посадки на различные поверхности исследователи могли бы отделить управление приближающейся посадкой от действий, необходимых для успешного приземления.
Их измерения также показали, что птицы способны перемещать свои когти от одного захватываемого бугра или ямы к другому всего за 1-2 миллисекунды. (Для сравнения, человеку требуется от 100 до 400 миллисекунд, чтобы моргнуть.)
Птицы и боты
Лаборатории Cutkosky и Lentink уже начали характеризовать, как попугаи взлетают с разных поверхностей. В сочетании с их предыдущей работой по изучению того, как попугаи ориентируются в своей среде, группа надеется, что результаты могут привести к более проворным летающим роботам.
“Если мы сможем применить все, что мы узнаем, мы сможем разработать бимодальные роботы, которые могут переходить в воздух и из воздуха в широком диапазоне различных сред и повышать универсальность воздушных роботов, которые у нас есть сегодня”, – сказал чин.
С этой целью Родерик работает над созданием механизмов, которые будут имитировать захватную форму и физику птиц.
“Одно из применений этой работы, которое меня интересует, – это посадочные роботы, которые могут действовать как команда крошечных ученых, которые делают записи автономно для полевых исследований в лесах или джунглях”, – сказал Родерик. “Мне очень нравится черпать из основ техники и применять их в новых областях, чтобы раздвинуть границы того, что было достигнуто ранее и что известно.”
