斯坦福创造“长腿”无人机！等比例仿照猎鹰,空中抓球、树上休息

12月1日，斯坦福大学的一项新作用登上国际学术顶刊《科学》的子刊《科学·机器人学》封面。研讨人员受鸟类启示，研宣布一款名为SNAG的主动“机器脚爪”，能够使无人机能够在杂乱的外表起飞和下降，并捕捉空中的物体。

多年来，无人机现已能够在天空上自在飞翔，却并没有把握安稳的着陆才能，常常“栽跟头”。鸟类简直能够用脚爪缠住任何东西，掠过海浪尖的鹈鹕能够忽然下降在码头的桩上，猫头鹰能以64km/h的速度爬升下捉住一只老鼠，这为斯坦福大学的研讨人员带来了启迪。

他们以一种名为游隼的猛禽为参照，选用3D打印的办法打造了这款名为SNAG“机器脚爪”。它能够助一个无人机确定与它们触摸的任何东西，不管是能够歇息的树枝，仍是空中抛落的球体。未来有一天，它或许使无人机飞到任何地方，乃至成为能“捕猎”的无人机。

论文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abj7562

一、“带爪”无人机飞入森林，能抓沙袋能接球

国际上没有两片相同的雪花，树枝也是相同，每根树枝的巨细、形状和质地存在差异，比方有些或许是湿润的，或长满了苔藓，或有分叉。不过，鸟类落在树枝上时，不受这些树枝状况的影响，哪里都能够着陆。

斯坦福大学工程师马克·卡特科斯基（Mark Cutkosky）和大卫·伦廷克（David Lentink）实验室的研讨人员对鸟类的着陆才能十分感兴趣。伦廷克说：“关于咱们来说，有个主意很鼓舞人心——假如规划不同的起落架，机器人就能够在任何地方着陆。”

所以，两个实验室的研讨人员共同为“空中机器人”开发了一种主动“机器脚爪”，名为SNAG。像实在的鸟类相同，SNAG每次都以相同的办法挨近物体并着陆。

SNAG能够成功抓捉住空中的豆袋和网球，并在触发时以受控办法开释它们。论文说到，其脚和物体之间的速度差约为5 m/s，与大多数猛禽的动态捕捉行为比较，这是小到中等水平。要知道，豆袋和网球都具有与游隼猎物相似的巨细和分量。

终究，罗德里克带着SNAG进入邻近的森林，在实际国际中，进行一些试运行。团队发现动态鸟类进近过程中尽管脚部差错很大，但仍能完结稳健的近水平着陆。

整体而言，SNAG体现十分好，对其的下一步开发或许会会集在着陆前的动作优化上，例如进步机器人的态势感知和飞翔操控才能。

该研讨的榜首作者罗德里克说：“令咱们惊奇的是，不管鹦鹉落在什么样的外表上，它们都做了相同的空中机动动作，用脚处理着陆资料外表纹路的可变性和杂乱性。”SNAG研制期间经过了20次的迭代完善，终究才完结较好作用。

二、对比真鸟3D打印，完结两大机制

SNAG的规划创意来自鸟类后肢的功用解剖结构，包含一个受鸟类启示的双足足部和腿部体系，质量约为250g。

在许多鸟类中，游隼的腿长和腿重在鸟类中具有普遍性，且能够每小时200英里的速度爬升，并用爪子捉住其他鸟类。SNAG的腿长尺度、脚趾长度和爪子巨细都是等比例参照两只750g的游隼，经过3D打印而来。

为了让更好地把握鸟类特征，研讨人员曾对国际第二小的鹦鹉物种进行研讨，包含一起用5个高速摄像机记载这些低矮鸟类在特别栖木上来回飞翔的动作，还运用传感器，捕获鸟类着陆、歇息和起飞相关的物理力的数据。

鸟腿和脚趾的刚性结构由骨骼和软骨组成，经过韧带衔接在一起，并经过肌腱衔接由肌肉驱动。相似地，SNAG机器爪的刚性结构由硬塑料制成，抓取动作由一种人工肌腱和串联绷簧驱动，每条腿由一个电机驱动。

更进一步来看，SNAG首要参阅了实在游隼的两个要害运动机制，别离称为数字屈肌机制（DFM）和肌腱确定机制（TLM）。

DFM是一种相似鸟类下降站守时，下降冲击力的机制。也便是鸟腿下降中经过折叠的动作，冲击力能够被转化为愈加强壮的抓握力。SNAG则经过肌腱绷簧拉伸，被迫吸收冲击力，转而取得比电机驱动的更大抓握力。

再看看TLM，这在鸟类的运动中是在每个脚趾肌腱相互作用下确定住抓握状况、避免回弹的机制。SNAG将TLM仿照物与脚踝确定棘轮结合在一起，使SNAG能够在腿部折叠时坚持来自DFM的额定抓地力的一起，避免回弹，然后让动作更稳。

为了愈加复原实在鸟类的抓握才能，SNAG能够说在许多细节上都高度复原了鸟类结构。比方，与鸟类脚爪相似的是，SNAG的脚设有趾垫发生的冲突，而且被指爪半包裹着，使SNAG可靠地把握杂乱的外表并坚持结实。

三、可用于查找、救援，让无人机更省电

实验室团队人员威廉·罗德里克（William Roderick）说：“仿照鸟类的飞翔和歇息办法并不简单。鸟类阅历了数百万年进化，这使鸟类看上去很简单完结起飞和着陆，即便森林中的树枝形状杂乱、多变。”

假如技能落地，SNAG将有无数种或许的使用，包含查找、救援和野火监测等等，它也能够添加到无人机以外的使用上。SNAG还能够使用于环境研讨，在进入森林的实验中，研讨人员在机器人上安装了一个温度和湿度传感器，罗德里克用他来记载实验地俄勒冈州的小气候。

罗德里克说：“这项作业的部分潜在动机是发明咱们能够用来研讨自然界的东西，假如咱们能具有一个像鸟相同举动的机器人，那将敞开环境研讨的全新办法。”

SNAG仍存在局限性，那便是它不是自主的。为了进行这些实验，飞翔员有必要长途操控机器人。不过，伦廷克和他的搭档们正在研讨一种办法，让机器人定位树枝，核算怎么挨近它，并自行着陆。

SNAG并不是榜首款带腿的飞翔器，在2019年，加州理工学院的LEg ON Aerial Robotic DrOne（又叫 Leonardo）已初次露脸，它的四肢能够使它在地面上歇息，旨在更好地探求火星。SNAG和Leonardo都在寻求同一件事：动力功率，由于将无人机悬停在恰当方位以监督区域会敏捷耗尽电池电量。

结语：仿生机器人发展敏捷，仍面对主动化难题

在鸟类的启迪下，研讨人员为无人机装上了“脚爪”，完结在不平坦环境下的顺畅下降，乃至进化为“捕手”。背面，不仅是对鸟类腿和爪的结构的仿制，更是对其间运动机制的学习，需求许多的数据搜集和实地实验。

近年来，仿生机器人成为越来越抢手的方向，不管是机器狗、机器鱼仍是现在仿照鸟类的机器爪，都在处理许多机器人运动的难题。但与此一起，这些仿生类机器设备许多仍难完结自主化地运动，有目地自主执行任务，仍需求研讨人员进一步探求。