仿生『機(jī)器鳥』誕生 有望用于火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)、天氣模式監(jiān)測等

空中機(jī)器人

一直以來，對于鳥類的仿生機(jī)器人研究，人們大多關(guān)注它們?nèi)绾胃咝У卦诳罩酗w行，例如仿照鳥類的翅膀結(jié)構(gòu)設(shè)計出撲翼式無人機(jī)。而鳥類能夠在復(fù)雜環(huán)境下棲息和抓取的能力也同樣令人驚嘆：獵鷹不僅能平穩(wěn)地降落在凹凸不平的巖壁，還能從高空俯沖而下捕獲獵物。除了具備高超的飛行技巧外，鳥類的這些強(qiáng)大能力還依賴于它們看似普通的鳥腿和鳥爪。

受此啟發(fā)，美國斯坦福大學(xué)的研究者馬克·卡特科斯基和大衛(wèi)·蘭亭克的團(tuán)隊，通過深入研究鳥爪的構(gòu)造和著陸機(jī)理，研發(fā)出一套名為“Stereotyped Nature-Inspired Aerial Grasper(SNAG)”的仿生機(jī)械鳥爪系統(tǒng)，并將其安裝在旋翼無人機(jī)平臺上，構(gòu)造出一個既能在任何復(fù)雜表面上起降，又能動態(tài)抓取不規(guī)則物體的空中機(jī)器人。

空中機(jī)器人模擬獵鷹抓取物體

空中機(jī)器人模擬鳥類棲息在樹枝上

相關(guān)成果以論文形式發(fā)表，論文題為《在樹棲環(huán)境中受鳥類啟發(fā)的動態(tài)抓取和棲息》，這一創(chuàng)新對于鳥類的生物學(xué)研究和無人機(jī)的工程應(yīng)用來說都是極大的突破。

論文第一作者威廉·羅德里克表示，“經(jīng)過千百萬年的進(jìn)化，不管樹枝的粗細(xì)和曲折度，降落點(diǎn)表面的粗糙度等各種環(huán)境因素有多么的不同，鳥類都可以做到近乎一致的降落表現(xiàn)，而要模仿這種靈活的棲息行為并不容易”。

空中機(jī)器人復(fù)現(xiàn)短尾鸚鵡的著陸過程

目前，對機(jī)器人的抓取或棲息的研究大多只是針對小部分特定的場景或特殊的表面，無法廣泛用于現(xiàn)實(shí)環(huán)境。為了解決這一問題，生物力學(xué)的相關(guān)研究表明，鳥類的這種模式化的著陸行為本質(zhì)上遵循著一種“基于碰撞時間的引導(dǎo)策略”，即鳥類在著陸時會根據(jù)當(dāng)前的飛行速度做出一系列的調(diào)整動作來控制與接觸面的碰撞，如身體上仰、伸展腿和爪，接觸到樹枝時腿部彎曲并緩沖，腳趾通過包裹擠壓接觸面來增大抓力，調(diào)整身體以維持平衡，等等。

根據(jù)這些理論，研究人員選取獵鷹和短尾鸚鵡作為仿生研究對象，一方面，從解剖學(xué)層面獲得獵鷹的腿部生理構(gòu)造，另一方面，通過高速相機(jī)記錄短尾鸚鵡在不同種類的樹枝上的飛行著陸數(shù)據(jù)，包括飛行的速度，抓取角度等，依此對這一運(yùn)動過程進(jìn)行建模，從而逐步展開設(shè)計與研究。

研究過程和亮點(diǎn)

仿鳥爪機(jī)構(gòu)SNAG的機(jī)械設(shè)計示意圖

首先，研究者們參照鳥類的腿部構(gòu)造，以等比的尺寸和重量設(shè)計并制造了SNAG的機(jī)械結(jié)構(gòu)。整個仿生鳥爪的剛性結(jié)構(gòu)都是通過3D打印技術(shù)制造，用來模擬鳥腿部的骨骼、關(guān)節(jié)和腳趾，并采用伺服電機(jī)和雙彈簧機(jī)構(gòu)提供對腿部動作的控制力和腳趾的抓握力，用來模擬腿部的肌肉和肌腱功能。同時，類似鳥爪趾端的肉墊，一種可形變的橡膠緩沖墊也被粘貼嵌入到鳥爪上，用來增大抓握時的摩擦力。

仿鳥爪機(jī)構(gòu)SNAG的機(jī)械設(shè)計示意圖

依靠這些精密的機(jī)械結(jié)構(gòu)，鳥類自然抓取的兩個關(guān)鍵機(jī)制得以復(fù)現(xiàn)。一個是“屈肌機(jī)制”：通過關(guān)節(jié)彎屈折疊，拉伸腿部肌腱彈簧，在吸收接觸沖擊力的同時，還能將沖擊能量轉(zhuǎn)化為更大的抓力；另一個是“腱鎖機(jī)制”：在腿部彎曲的同時，通過腳部電機(jī)提前儲能過的趾部肌腱彈簧迅速收縮使腳趾閉合，并通過棘輪裝置鎖死，整個過程在50ms內(nèi)完成，使得爪子能夠迅速地牢牢抓住物體。而當(dāng)要離開棲息物時，可再次通過腳部的電機(jī)解鎖釋放掉肌腱張力，腿便可以重新伸展。

其次，研究人員利用該套機(jī)械結(jié)構(gòu)研究影響鳥類成功著陸的潛在因素，例如：機(jī)械硬件參數(shù)（機(jī)體的質(zhì)量、尺寸大小等）、運(yùn)動學(xué)參數(shù)（著陸時的速度大小和方向、腿的屈伸角度、機(jī)體的平衡角度等）以及不同的棲息表面參數(shù)等等。通過基于力學(xué)理論分析得到的數(shù)學(xué)模型和實(shí)驗測試數(shù)據(jù)來估計這些參數(shù)的邊界，構(gòu)建出一個類似于飛行包線的“充分棲息域”模型。該模型不僅可以進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，還為著陸控制的設(shè)計提供了可靠依據(jù)。

兩種常見的鳥類腳趾構(gòu)型示意圖

此外，研究人員還專門設(shè)計實(shí)驗測試了不同的腳趾構(gòu)型的著陸表現(xiàn)，即，常見于獵鷹的“三趾朝前一趾朝后”的anisodactyl構(gòu)型和常見于鸚鵡的“兩趾朝前兩趾朝后”的zygodactyl構(gòu)型，最終得出結(jié)論：這兩種構(gòu)型在功能上并沒有太大差異，任一構(gòu)型都不會更有進(jìn)化上的優(yōu)勢。

然后，著陸后的平衡控制也是至關(guān)重要的，因為主動的平衡控制，能夠擴(kuò)大“充分棲息域”的范圍，從而大大提高著陸的成功率。因此，研究者們在SNAG的右腳上安裝了一個加速度計來感知并識別是否已經(jīng)著陸。

不同平衡控制算法的性能對比

一旦平衡算法機(jī)制被觸發(fā)，機(jī)器人便通過旋轉(zhuǎn)機(jī)體平臺調(diào)整重心，維持平衡。實(shí)驗中測試了固定角度調(diào)節(jié)、開環(huán)調(diào)節(jié)和閉環(huán)調(diào)節(jié)三種平衡控制算法，其中閉環(huán)調(diào)節(jié)方案使用了加速度計的反饋來調(diào)整重心，在各種測試情況下都表現(xiàn)出更好的著陸性能。

SNAG空中機(jī)器人的動態(tài)抓取能力測試

由于物體的抓取原理和著陸相似，兩者的不同之處在于機(jī)器人的速度會動態(tài)變化，抓取物的表面質(zhì)地，以及對仿生機(jī)械爪的沖擊力，因此研究者們利用同一套硬件裝置測試了該空中機(jī)器人的動態(tài)抓取能力。

SNAG空中機(jī)器人的戶外測試

實(shí)驗表明，SNAG的抓取能力同樣出色，能夠順利抓放類似于鷹隼獵物大小的物體。最后，研究團(tuán)隊對該空中機(jī)器人進(jìn)行了更加綜合的戶外測試：操控機(jī)器人從一塊草地起飛，降落并棲息在樹枝上，然后監(jiān)測并記錄當(dāng)?shù)丨h(huán)境的溫濕度等氣候數(shù)據(jù)，最后又返回原起飛點(diǎn)。

實(shí)際應(yīng)用和未來展望

樹棲機(jī)器人用于檢測叢林氣候

戶外的測試實(shí)驗充分展示了該機(jī)器人在叢林中的優(yōu)勢：通過加載不同的傳感器模塊，該種具有仿鳥爪結(jié)構(gòu)的空中機(jī)器人能夠被廣泛應(yīng)用于野外叢林環(huán)境中，除了可以用來收集野外氣象環(huán)境、動植物樣本等數(shù)據(jù)外，還能完成野外搜救、森林火災(zāi)預(yù)警等任務(wù)。

得益于其強(qiáng)大的樹棲能力，該機(jī)器人能夠停在樹枝上執(zhí)行任務(wù)，從而大大節(jié)省電池電量，或者在棲息時通過太陽能充電，從而有效解決了傳統(tǒng)無人機(jī)續(xù)航的問題。此外，由于該研究的仿生屬性，該機(jī)器人還可以反過來用于鳥類生物學(xué)的研究，減少對活體動物的傷害。

然而，為了進(jìn)一步推動該機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用，現(xiàn)有的工作還需要很多的改進(jìn)。

首先，機(jī)器人的仿生機(jī)械爪系統(tǒng)和飛行平臺之間的功能聯(lián)系并不緊密，例如真實(shí)鳥類著陸時，一般會通過翅膀產(chǎn)生輔助氣動力，來維持身體的平衡，而非僅僅依靠腿部力量的調(diào)節(jié)，因此，系統(tǒng)還需要對各個組件進(jìn)行更深入的集成。

其次，當(dāng)前研究中腳部的加速度計為身體的平衡調(diào)節(jié)提供唯一的信息反饋，而真實(shí)鳥類則可以依靠諸如視覺、觸覺等更多的信息源，因此，系統(tǒng)還可以從多傳感器信息融合方面進(jìn)一步完善，從而提高抓取和著陸的能力。

最重要的，目前該機(jī)器人是通過操作人員遠(yuǎn)程遙控飛行，視覺篩選并定位樹枝、自動接近目標(biāo)樹枝等功能迫切需要開發(fā)和測試，來加強(qiáng)其自動化的程度。