スタンフォードのエンジニアが止まった鳥のようなロボットを作成

雪片のように、2つの枝は同じではありません。サイズ、形状、テクスチャが異なる場合があります。一部は濡れているか、苔で覆われているか、分枝で破裂している可能性があります。それでも、鳥はそれらのほぼすべてに着陸することができます。この能力は、スタンフォード大学のエンジニアであるMarkCutkoskyとDavidLentink（現在はオランダのフローニンゲン大学にあります）の研究室にとって非常に興味深いものでした。どちらも動物の能力に触発された技術を開発しました。

「鳥が飛んで止まる方法を模倣するのは簡単ではありません」と、両方の研究室の大学院生であったWilliam Roderick、PhD ’20は述べています。 「何百万年もの進化の末、森にある木の枝の複雑さと多様性の中でも、離陸と着陸がとても簡単に見えるようになりました。」

Cutkosky Labでの動物に触発されたロボットと、Lentink Labでの鳥に触発された空中ロボットに関する長年の研究により、研究者は独自の止まったロボットを構築することができました。クワッドコプタードローンに取り付けられると、その「ステレオタイプの自然に触発された空中把持器」、つまりSNAGは、さまざまな表面で物体や止まり木を飛び回ったり、捕まえたり、運んだりできるロボットを形成します。この研究の潜在的な多様性を示して、研究者はそれを使用して、さまざまな種類の鳥のつま先の配置を比較し、遠く離れたオレゴンの森の微気候を測定しました。

2番目に小さいオウム種であるオウムに関する研究者の以前の研究では、5つの高速度カメラで記録されている間、小さな鳥が特別な止まり木の間を行ったり来たりしていました。止まり木（木材、フォーム、サンドペーパー、テフロンなど、さまざまなサイズと素材を表す）には、鳥の着陸、止まり木、離陸に関連する物理的な力をキャプチャするセンサーも含まれていました。

「私たちを驚かせたのは、着陸する表面に関係なく、同じ空中演習を行ったことです」と、論文の筆頭著者であるロデリックは述べています。 「それらは、表面テクスチャ自体の変動性と複雑さを足に処理させます。」すべての鳥の着陸で見られるこの定型的な行動が、SNAGの「S」が「ステレオタイプ」を表す理由です。

オウムのように、SNAGはすべての着陸に同じようにアプローチします。しかし、クワッドコプターのサイズを説明するために、SNAGはハヤブサの脚に基づいています。骨の代わりに、3Dプリントされた構造があり、完成までに20回の反復が必要でした。モーターと釣り糸が、筋肉と腱の代わりになります。

各脚には、前後に移動するための独自のモーターと、握りを処理するための別のモーターがあります。腱が鳥の足首の周りを回る方法に触発されて、ロボットの脚の同様のメカニズムが着陸衝撃エネルギーを吸収し、それを受動的に把持力に変換します。その結果、ロボットには、20ミリ秒で閉じるようにトリガーできる特に強力で高速なクラッチが搭載されています。枝に巻き付けられると、SNAGの足首がロックされ、右足の加速度計がロボットが着陸したことを報告し、バランス調整アルゴリズムをトリガーしてロボットを安定させます。

COVID-19の期間中、ロデリックは3Dプリンターを含む機器を、スタンフォードのレンティンクの研究所からオレゴン州の田舎に移し、そこで制御されたテストのために地下室を設置しました。そこで彼は、さまざまなシナリオでロボットがどのように機能するかを確認するために、事前定義された速度と方向で、さまざまな表面でロボットを起動する鉄道システムに沿ってSNAGを送信しました。 SNAGを所定の位置に保持した状態で、ロデリックは、獲物のダミー、コーンホールのビーンバッグ、テニスボールなど、手で投げられた物体をロボットが捕まえる能力も確認しました。最後に、ロデリックとSNAGは、現実の世界でいくつかの試運転を行うために、近くの森に足を踏み入れました。

全体として、SNAGは非常に優れたパフォーマンスを示したため、開発の次のステップでは、ロボットの状況認識や飛行制御の改善など、着陸前に何が起こるかに焦点を当てる可能性があります。

アプリケーション

このロボットには、捜索救助や山火事の監視など、考えられるアプリケーションが無数にあります。ドローン以外の技術にも搭載できます。 SNAGは鳥に近接しているため、鳥の生物学に対する独自の洞察も得られます。たとえば、研究者は2つの異なるつま先の配置でロボットを実行しました。ハヤブサのように前に3つ、後ろに1つあるアニソダクチルと、オウムのように前に2つ、後ろに2つあるザイゴダクチルです。驚いたことに、2つの間にパフォーマンスの違いはほとんどないことがわかりました。

両親が両方とも生物学者であるロデリックにとって、SNAGの最もエキサイティングな可能なアプリケーションの1つは環境研究です。そのために、研究者たちは、ロデリックがオレゴンの微気候を記録するために使用した温度と湿度のセンサーもロボットに取り付けました。

「この作業の根本的な動機の一部は、自然界を研究するために使用できるツールを作成することでした」とロデリック氏は述べています。 「鳥のように振る舞うロボットがあれば、環境を研究するまったく新しい方法を解き放つことができます。」