Под пристальным взглядом пяти высокоскоростных камер маленькая бледно-голубая птичка по имени Гэри ждет сигнала к полету. Дайана Чин, аспирантка Стэнфордского университета и тренер Гэри, указывает пальцем на жердочку на расстоянии около 20 дюймов. Загвоздка здесь в том, что жердочка покрыта тефлоном, из-за чего кажется, что ее невозможно прочно ухватить.
Успешное приземление Гэри на тефлон и другие насесты из различных материалов учит исследователей тому, как они могут создавать машины, которые приземляются, как птицы.
"Современным воздушным роботам обычно требуется взлетно-посадочная полоса или плоская поверхность для легкого взлета и посадки. Для птицы почти везде есть потенциальное место для посадки, даже в городах», - сказал Чин, сотрудник лаборатории Дэвида Лентинка, доцента кафедры машиностроения. «Мы действительно хотели понять, как они этого добиваются, а также динамику и задействованные силы."
Даже самые продвинутые роботы не могут приблизиться к хватательным способностям животных при работе с объектами различной формы, размера и текстуры. Итак, исследователи собрали данные о том, как Гэри и еще две птицы приземляются на разные виды поверхностей, в том числе на различные естественные насесты и искусственные насесты, покрытые пеной, наждачной бумагой и тефлоном..
«Это мало чем отличается от того, чтобы попросить олимпийского гимнаста приземлиться на высокие перекладины с тефлоновым покрытием, не нанося мела на руки», - сказал Лентинк, старший автор статьи. Тем не менее, попугаи сделали то, что кажется почти невозможным для человека, выглядело без усилий.
Исследование группы, опубликованное 6 августа в eLife, также включало подробные исследования трения, производимого когтями и лапами птиц. В результате этой работы исследователи обнаружили, что секрет универсальности попугая в хватке.
Когда мы смотрим на бегущего человека, прыгающую белку или летящую птицу, становится ясно, что нам предстоит пройти долгий путь, прежде чем наша технология сможет достичь комплексного потенциала этих животных, как с точки зрения эффективности, и контролируемый атлетизм», - сказал Уильям Родерик, аспирант машиностроения в лаборатории Лентинка и лаборатории Марка Каткоски, заведующего кафедрой Флетчера Джонса в Инженерной школе. «Изучая природные системы, которые развивались в течение миллионов лет, мы можем добиться огромных успехов в создании систем с беспрецедентными возможностями».
(Не)прилипание приземления
Насесты в этом исследовании не были обычными товарами в зоомагазине. Исследователи разделили их вдоль на две части в точке, которая примерно совпадала с центром лапки попугая. Что касается птицы, насесты ощущались как одна ветка, но каждая половина располагалась на собственном 6-осевом датчике силы/крутящего момента. Это означало, что исследователи могли зафиксировать общую силу, которую птица прикладывала к жердочке во многих направлениях, и то, как эти силы различались между половинками, что указывало на то, насколько сильно птицы сжимались.
После того как птицы махнули на все девять чувствительных к силе насестов разного размера, мягкости и скользкости, группа начала анализировать первые этапы приземления. Сравнивая различные поверхности насестов, они ожидали увидеть различия в том, как птицы подходили к насесту и силе, с которой они приземлялись, но это не то, что они обнаружили.
«Когда мы впервые обработали все наши данные о скорости захода на посадку и усилиях при приземлении птицы, мы не увидели никаких явных различий», - вспоминает Чин. «Но затем мы начали изучать кинематику ступней и когтей - детали того, как они их двигали, - и обнаружили, что они адаптируют их для приземления».
Степень, в которой птицы заворачивали пальцы ног и скручивали когти, варьировалась в зависимости от того, с чем они столкнулись при приземлении. На шероховатых или мягких поверхностях, таких как пенопласт среднего размера, наждачная бумага и грубые деревянные насесты, их лапы могут генерировать большие усилия сжатия без небольшой помощи когтей. На насестах, которые было труднее всего ухватиться - на шелковом дереве, тефлоне и большой березе, - птицы больше скручивали когти, волоча их по поверхности насеста, пока не становились на твердую опору.
Эта переменная хватка предполагает, что при создании роботов, способных приземляться на различные поверхности, исследователи могли отделить управление приближением к приземлению от действий, необходимых для успешного приземления.
Их измерения также показали, что птицы способны перемещать свои когти с одной выпуклости или ямки на другую всего за 1-2 миллисекунды. (Для сравнения, человеку требуется от 100 до 400 миллисекунд, чтобы моргнуть.)
Птицы и боты
Лаборатории Каткоски и Лентинка уже начали исследовать, как попугаи взлетают с разных поверхностей. В сочетании с их предыдущей работой по изучению того, как попугаи ориентируются в окружающей среде, группа надеется, что результаты могут привести к созданию более шустрых летающих роботов.
«Если мы сможем применить все, чему мы научились, мы сможем разработать бимодальных роботов, которые могут переходить в воздух и из воздуха в самых разных средах, и повысить универсальность воздушных роботов, которые у нас есть сегодня», - сказал Чин..
С этой целью Родерик работает над созданием механизмов, которые будут имитировать форму и физику захвата птиц.
«Одно из применений этой работы, которое меня интересует, - это роботы-сидячие, которые могут действовать как команда крошечных маленьких ученых, которые автономно делают записи для полевых исследований в лесах или джунглях», - сказал Родерик. «Мне очень нравится опираться на основы инженерии и применять их в новых областях, чтобы раздвинуть границы того, что было достигнуто ранее, и того, что уже известно».
Куткоски является соавтором этой статьи и членом Stanford Bio-X и Института неврологии Ву Цая. Лентинк также является членом Stanford Bio-X.