空中抓取器SNAG很酷炫?鸟儿:还不是我的爪子给你的灵感

来源:cnBeta | 2022-05-12 16:23:34 |

如果你是一个喜欢逛公园的人,肯定见过鸟儿在树枝上快乐蹦跶的场景。那你可曾注意到,似乎不论树枝是粗是细,是光滑还是粗糙,哪怕是长满苔藓,鸟儿始终能够一视同仁,扎根一般地抓在树枝上,甚至蹲着打个盹也是小菜一碟。细心的科学家们很早就发现了这个现象,并向鸟儿们“拜师学”,终于成功给科技领域中的“小鸟”——无人机,也装了一双爪子,并将这个机械爪命名为SNAG。

两位科学家,美国斯坦福大学的工程师MarkCutkosky 和荷兰格罗宁根大学的 David Lentink,受到鸟类启发,发明了搭载于无人机上的机械爪SNAG,登上了著名科学刊物Science Robotics的封面。

目前,这种机械爪已经成功搭载在了他们所制造的无人机上,并进行了多个维度的实验与实际任务测试。

鸟儿为什么能够掌握这项本领?科学家又是怎样从鸟儿这里学到技巧,从而给无人机也加上这样一双靠谱的爪子呢?

Part.1

一双结构神奇、骨骼精奇的爪子

鸟儿的种类繁多,抓住树枝的能力也不太相同。诸如鸵鸟、火烈鸟,或是鸭子一类的鸟,本身不具备长距离飞行和栖息在树上的能力,爪子的抓握能力自然相对较弱;而其它大多数鸟类,不用说稳稳站在树枝上,就算是在上面睡觉也轻而易举。

事实上,鸟类这项能力最大的功臣就是它特殊的爪子结构。从表皮到肌肉,到韧带再到骨骼,千万年的进化让鸟儿爪子的每一个细节都为“抓握”这个小动作量身定制。

先从外皮说起。相信大家都吃过一道菜——“虎皮凤爪”,我们仔细观察就会发现,鸡爪表面都是一块块的小疙瘩,而且与地面接触的部分,疙瘩更加细密。而其他大部分鸟的趾爪也具有这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。

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、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。

关键词: 空中抓取器 仿生学研究 无人机外设 仿生机器人


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