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斯坦福研究人員研究鳥類以改善機器人的著陸方式

  • 科技
  • 2019-08-08 15:43:54

鳥類可以棲息在各種各樣的表面上,厚或薄,粗糙或光滑。但是,如果Teflon覆蓋了一個分支,他們能找到穩定的基礎嗎?為了制造更好的機器人,斯坦福大學的研究人員發現了這一點。

在五只高速攝像機的注視下,一只名叫加里的小藍藍鳥等待著飛行的信號。斯坦福大學的研究生,加里的培訓師戴安娜·金將她的手指指向距離大約20英寸的鱸魚。這里的特點是鱸魚被聚四氟乙烯覆蓋,使得它似乎不可能穩定地抓住。

加里成功著陸特氟隆 - 以及不同材料的其他棲息地 - 正在教研究人員如何創造像鳥一樣落地的機器。

“現代空中機器人通常需要跑道或平坦的表面,以便于起飛和降落。對于一只鳥來說,幾乎所有地方都是一個潛在的著陸點,即使在城市,“Chin說,他是 機械工程助理教授David Lentink 實驗室 的一 員。“我們真的很想了解他們如何實現這一目標以及所涉及的動力和力量。”

即使是最先進的機器人在處理不同形狀,大小和紋理的物體時也遠遠沒有動物的抓握能力。因此,研究人員收集了關于加里和另外兩只鳥如何落在不同種類表面上的數據,包括各種天然棲息地和泡沫,砂紙和特氟隆覆蓋的人工棲息地。

“這與要求一名奧運體操運動員在沒有粉手的情況下降落在鐵氟龍覆蓋的高桿上并沒有什么不同,”該論文的高級作者倫廷克說。然而,這些鸚鵡似乎幾乎不可能讓人看起來毫不費力。

該小組在eLife上發表的研究 報告還詳細研究了鳥類爪子和腳所產生的摩擦力。通過這項工作,研究人員發現,鸚鵡的棲息多功能性的秘密就在掌握之中。

“當我們看到一個跑步的人,一只松鼠跳躍的鳥兒或一只飛翔的鳥兒時,很顯然我們還有很長的路要走,才能使我們的技術在效率和控制運動能力方面達到這些動物的復雜潛力,”威廉·羅德里克,一名研究生在機械工程中的Lentink實驗室說 實驗室 的 馬克Cutkosky,弗萊徹·瓊斯主席在工程學院。“通過研究已經發展了數百萬年的自然系統,我們可以在構建具有前所未有能力的系統方面取得巨大進展。”

(非)堅持著陸

這項研究中的棲息地不是您的平均寵物商店庫存。研究人員將它們縱向分成兩部分,與鸚鵡腳的中心大致對齊。就鳥類而言,棲息地感覺就像一個分支,但每一個都坐在它自己的6軸力/扭矩傳感器的頂上。這意味著研究人員可以捕捉鳥類在多個方向上施加在鱸魚身上的總力量以及這些力量在兩半之間的差異 - 這表明鳥類在擠壓時有多么困難。

在鳥類拍到各種大小,柔軟和滑溜的所有九個力感應棲息地后,小組開始分析著陸的第一階段。比較不同的棲息地表面,他們期望看到鳥類接近棲息地的方式和它們降落的力量的差異,但這不是他們發現的。

“當我們第一次處理所有關于進近速度的數據以及當這只鳥降落時的力量時,我們沒有看到任何明顯的差異,”Chin回憶道。“但后來我們開始研究腳和爪子的運動學 - 他們如何移動那些細節 - 并發現他們適應它們以堅持著陸。”

鳥類包裹腳趾和卷曲爪子的程度取決于它們在著陸時遇到的情況。在粗糙或松軟的表面 - 例如中等大小的泡沫,砂紙和粗糙的木頭 - 它們的腳可以產生很高的擠壓力,而它們的爪子幾乎沒有幫助。在最難掌握的棲息地 - 牙線 - 絲綢木頭,鐵氟龍和大樺樹 - 鳥兒更多地蜷縮著它們的爪子,沿著棲木表面拖動它們直到它們有足夠的基礎。

這種可變夾具表明,當建造機器人降落在各種表面上時,研究人員可以將接近著陸的控制與成功著陸所需的動作分開。

他們的測量還表明,這些鳥能夠在1到2毫秒內將它們的爪從一個可抓握的凹凸或凹坑重新定位到另一個。(為了比較,人類需要大約100到400毫秒才能閃爍。)

鳥類和機器人

Cutkosky和Lentink實驗室已經開始描述鸚鵡從不同表面起飛的特征。結合他們以前的工作探索鸚鵡如何導航他們的環境,該小組希望這些發現可以導致更靈活的飛行機器人。

“如果我們可以應用我們學到的所有東西,我們就可以開發雙峰機器人,可以在各種不同的環境中過渡到空中,并增加我們今天擁有的空中機器人的多功能性,”Chin說。

為此,羅德里克正致力于設計模仿鳥類抓握形式和物理的機制。

“我感興趣的這項工作的一個應用是擁有棲息機器人,可以作為一個小小的科學家團隊,自動制作錄音,用于森林或叢林的實地研究,”羅德里克說。“我非常喜歡從工程學的基礎知識中汲取經驗,并將它們應用到新的領域,以突破以前所取得的成就和已知的局限。”

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