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空中抓取器很酷炫?鸟儿:还不是我的爪子给你的灵感


时间:2022-05-12  来源:  作者:  点击次数:


如果你是一个喜欢逛公园的人,你一定见过鸟儿在树枝上欢快跳跃的场景。你有没有注意到,似乎无论树枝是粗是细,是光滑还是粗糙,即使长满了青苔,鸟儿们也总能平等相待。在树枝上生根发芽甚至蹲着打个盹都是小菜一碟。

稳稳站在树枝上的鸟儿(来源:新浪微博https://Weibo.com/1867169435/famxkznul)

细心的科学家很早就发现了这种现象,并向鸟类学习。最后,他们成功地在科技领域的“鸟”3354无人机上安装了一对爪子,并将这种机械爪命名为SNAG。

动画:SNAG可以像鸟一样抓住物体并着陆(图片来源:https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abj7562)

美国斯坦福大学工程师MarkCutkosky和荷兰格罗宁根大学工程师David Lentink两位科学家受鸟类启发,发明了安装在无人机上的机械爪SNAG,并登上了著名科学杂志《科学机器人学》(Science Robotics)的封面。

目前,这种机械爪已经成功搭载在他们制造的无人机上,并进行了多次尺寸实验和实际任务测试。

为什么鸟类能掌握这项技能?科学家如何向鸟类学习技能,才能给无人机加上这样一双靠谱的爪子?

第一部分

一双结构神奇,骨骼奇妙的爪子。

鸟的种类很多,抓树枝的能力也不尽相同。鸟类,比如鸵鸟、火烈鸟,或者鸭子,没有长距离飞行和栖息在树上的能力,所以爪子的抓取能力自然相对较弱;其他大多数鸟类,不用说,可以很容易地睡在树枝上。

事实上,鸟类这种能力的最大贡献者是其特殊的爪结构。从皮肤到肌肉,再到韧带到骨骼,数千年的进化让一只鸟爪的每一个细节都为“抓”这个小小的动作量身定做。

先说皮肤。相信大家都吃过一道菜——“虎皮凤爪”。仔细观察会发现,鸡爪表面布满了小突起,接触地面的部分突起更细。大多数其他鸟类的脚趾和爪子也有这个。

种鳞片状的角质硬皮结构,它能够最大限度地增加鸟类爪子与地面的接触面积和摩擦力,让鸟儿即使在光滑的电线上也能抓得稳稳当当。

  此外,这层外皮既坚硬又没有痛觉神经,保证鸟儿看见树枝或是粗糙的地面,能不假思索地落下去停稳,不用考虑被割伤划伤。

  不仅是爪子的外皮有讲究,鸟的肌肉、韧带、骨骼更像是一座严丝合缝的精致机器。大部分鸟的四个趾爪有三个在前,一个在后,这些趾爪又细又长,适合环绕贴紧不同粗细的树枝。而当鸟爪抓住树枝后,鸟儿会迅速蹲下后半身,弯曲腿,屈肌腱也随之自动绷紧,带动爪子扣紧树枝。“坐下”这一微小的动作仿佛带动了一系列机关,一气呵成。此时,扣紧的爪子就如同“上了锁”,即使打个盹也不会轻易松开。

  Part.2

  睡觉需要、捕食需要,这是一双很忙的爪子

  看到这儿,你是不是觉得鸟儿“上了锁”的爪子必定是力量满满?让人意想不到的是,与人类的手抓取物体时肌肉紧绷不同,鸟类爪子扣紧时肌肉是松弛的,也就是鸟类在下落起飞时才需要使力,停靠在树枝上抓紧树干却毫不费劲。

  正因如此,鸟儿们才能轻松地站在树枝上歇息打盹。再加上鸟类的睡眠程度通常较浅,它们甚至可以做到一半大脑正在睡眠,另一半大脑保持清醒,因此在树上打盹的时候,鸟儿依旧可以调节身体各个部分,保持平衡。

  这样精巧灵活而又健壮有力的爪子,同样是许多鸟类捕猎的利器。肉食性鸟类主要的武器便是嘴和爪子,而鹰是将这两样武器是用到极致的佼佼者。鹰爪握力超越人的十倍,可以轻易刺穿大型动物的头骨,是实打实的利器。正因鸟爪如此精密而实用,所以科学家们在创造发明时,从中获得了许多灵感。

  Part.3

  机械爪SNAG:人类向鸟儿拜师的又一成果

  较早时期,人类学习鸟类飞行的原理,改善并发明应用了飞机。之后螺旋翼的直升机和小型无人机尽管与鸟的结构不再类似,可人们仍能从鸟类身上获得很多的灵感,然后加装到无人机上。而今天的机械爪SNAG,正是人类向鸟儿拜师的又一成果。

  SNAG采用3D打印技术制作,材料轻便,坚固耐用。整体结构均仿照鹰爪,包括趾爪表皮、骨骼以及关键的联动肌腱。

  SNAG表面具有增大摩擦力的趾垫和爪尖,保证其与接触表面充足的摩擦力。用齿轮和连接杆组成的、类似鹰爪骨骼肌腱的传动结构,保证了抓握的牢固性和低能耗。与鸟类肌肉特点相似,在保持静态抓握时,SNAG也是处于自然的低能耗状态。

  这项仿照鹰爪的设计大获成功,SNAG能够长时间抓握在不同物体表面,包括足够承载无人机重量的树枝和凹凸不平的地面。它也能像真正的鹰爪一样,根据指令抓握、拿取物品。

  Part.4

  有了SNAG,我们能做什么?

  和优秀的鸟爪一样,这种机械爪的主要任务就是停靠和抓取,而这两项功能都对无人机的实际作业有着非比寻常的意义。

  首先,停靠是为无人机省电的重要举措。玩过无人机的小伙伴应该深有体会,续航能力是考验无人机性能的关键指标之一。但是在野生动物监控、情况勘测等任务中,需要无人机长时间悬停作业,以至于现有的电源无法支持任务完成。如果能够依靠SNAG停靠,耗电量将不到悬停的1/10,大大缓解了无人机续航能力不足的情况。

  其次,抓取与运送物品的能力,对于无人机泛用度的意义更是不言而喻。在某些环境下,例如,复杂崎岖,人力难以触及或事故风险高的地带,如充斥有毒气体的矿洞,危险生物潜伏的沼泽等,无人机可以完成快速探测取样和短距离运输的任务。

  动图:SNAG 能够平稳起飞和降落(图片来源:https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abj7562)

  尽管SNAG目前仍然存在某些问题,比如抓取操作需要人为操控,无法实现自动探测适合的表面或树枝进行抓取,但它仍然给我们带来了广阔的想象空间。

  未来,SNAG也许会成为某些复杂场景下无人机的标配,实现无人机的长时间运作和灵活样品采集,还可能在其他类型的机器人甚至火星探测器等应用场景中绽放光彩。

  SNAG是人类模仿鸟类而取得的又一精妙成果,是仿生机器人的再一次进步。事实上,科学的本质就是在这样不断地探索、启发、创新中进步,从自然中学习、掌握规律,并化为人类自己进步的力量。留心观察身边,专注思考迁移,也许下一个上热门的发现,就藏在你家楼下的小树林里。

  参考文献:

  [1] Roderick, W。 R。 T。, et al。(2021)。 “Bird-inspired dynamic grasping and perching in arborealenvironments。” Science Robotics 6(61): eabj7562。。

  出品:科普中国

  作者:之遥科普

  监制:中国科学院计算机网络信息中心

  来源:中国科普博览


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