智東西12月3日 報道，12月1日，斯坦福大學(xué)的一項(xiàng)新成果登上國際學(xué)術(shù)頂刊《科學(xué)》的子刊《科學(xué)·機(jī)器人學(xué)》封面。 研究人員受鳥類啟發(fā)，研發(fā)出一款名為SNAG的自動“機(jī)器腳爪”，可以使無人機(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，無人機(jī)已經(jīng)可以在天空上自由飛行，卻并沒有掌握穩(wěn)定的著陸能力，經(jīng)?！霸愿^”。鳥類幾乎可以用腳爪纏住任何東西，掠過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”。它可以助一個無人機(jī)鎖定與它們接觸的任何東西，無論是可以棲息的樹枝，還是空中拋落的球體。未來有一天，它可能使無人機(jī)飛到任何地方，甚至成為能“捕獵”的無人機(jī)。

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

01“帶爪”無人機(jī)飛入森林，能抓沙袋能接球

世界上沒有兩片相同的雪花，樹枝也是一樣，每根樹枝的大小、形狀和質(zhì)地存在差異，比如有些可能是濕潤的，或長滿了苔蘚，或有分叉。不過，鳥類落在樹枝上時，不受這些樹枝情況的影響，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)室的研究人員對鳥類的著陸能力非常感興趣。倫廷克說：“對于我們來說，有個想法很鼓舞人心——如果設(shè)計不同的起落架，機(jī)器人就可以在任何地方著陸。”

于是，兩個實(shí)驗(yàn)室的研究人員共同為“空中機(jī)器人”開發(fā)了一種自動“機(jī)器腳爪”，名為SNAG。像真實(shí)的鳥類一樣，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)隊發(fā)現(xiàn)動態(tài)鳥類進(jìn)近過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，對其的下一步開發(fā)可能會集中在著陸前的動作優(yōu)化上，例如提高機(jī)器人的態(tài)勢感知和飛行控制能力。

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

02比照真鳥3D打印，實(shí)現(xiàn)兩大機(jī)制

SNAG的設(shè)計靈感來自鳥類后肢的功能解剖結(jié)構(gòu)，包含一個受鳥類啟發(fā)的雙足足部和腿部系統(tǒng)，質(zhì)量約為250g。

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

為了讓更好地把握鳥類特征，研究人員曾對世界第二小的鸚鵡物種進(jìn)行研究，包括同時用5個高速攝像機(jī)記錄這些矮小鳥類在特殊棲木上來回飛行的動作，還使用傳感器，捕獲鳥類著陸、棲息和起飛相關(guān)的物理力的數(shù)據(jù)。

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

更進(jìn)一步來看，SNAG主要參考了真實(shí)游隼的兩個關(guān)鍵運(yùn)動機(jī)制，分別稱為數(shù)字屈肌機(jī)制（DFM）和肌腱鎖定機(jī)制（TLM）。

DFM是一種類似鳥類降落站定時，降低沖擊力的機(jī)制。也就是鳥腿降落中通過折疊的動作，沖擊力可以被轉(zhuǎn)化為更加強(qiáng)大的抓握力。SNAG則通過肌腱彈簧拉伸，被動吸收沖擊力，轉(zhuǎn)而獲得比電機(jī)驅(qū)動的更大抓握力。

再看看TLM，這在鳥類的運(yùn)動中是在每個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能夠在腿部折疊時保持來自DFM的額外抓地力的同時，防止回彈，從而讓動作更穩(wěn)。

為了更加還原真實(shí)鳥類的抓握能力，SNAG可以說在很多細(xì)節(jié)上都高度還原了鳥類結(jié)構(gòu)。比如，與鳥類腳爪類似的是，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、救援讓無人機(jī)更省電

實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊人員威廉·羅德里克（William Roderick）說：“模仿鳥類的飛行和休息方式并不容易。鳥類經(jīng)歷了數(shù)百萬年進(jìn)化，這使鳥類看上去很容易完成起飛和著陸，即使森林中的樹枝形態(tài)復(fù)雜、多變?！?/p>

如果技術(shù)落地，SNAG將有無數(shù)種可能的應(yīng)用，包括搜索、救援和野火監(jiān)測等等，它也可以添加到無人機(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)器人上安裝了一個溫度和濕度傳感器，羅德里克用他來記錄實(shí)驗(yàn)地俄勒岡州的小氣候。

羅德里克說：“這項(xiàng)工作的部分潛在動機(jī)是創(chuàng)造我們可以用來研究自然界的工具，如果我們能擁有一個像鳥一樣行動的機(jī)器人，那將開啟環(huán)境研究的全新方式?！?/p>

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，倫廷克和他的同事們正在研究一種方法，讓機(jī)器人定位樹枝，計算如何接近它，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人機(jī)懸停在適當(dāng)位置以監(jiān)視區(qū)域會迅速耗盡電池電量。

04結(jié)語：仿生機(jī)器人發(fā)展迅速仍面臨自動化難題

在鳥類的啟迪下，研究人員為無人機(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，不僅是對鳥類腿和爪的結(jié)構(gòu)的復(fù)制，更是對其中運(yùn)動機(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，仿生機(jī)器人成為越來越熱門的方向，無論是機(jī)器狗、機(jī)器魚還是現(xiàn)在模仿鳥類的機(jī)器爪，都在解決很多機(jī)器人運(yùn)動的難題。但與此同時，這些仿生類機(jī)器設(shè)備很多仍難實(shí)現(xiàn)自主化地運(yùn)動，有目地自主執(zhí)行任務(wù)，仍需要研究人員進(jìn)一步探究。

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

本文來自微信公眾號 “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 無人機(jī) 獵鷹