Al igual que los copos de nieve, no hay dos ramas iguales. Pueden diferir en tamaño, forma y textura; algunas pueden estar mojadas o cubiertas de musgo o llenas de brotes. Y, sin embargo, las aves pueden posarse en casi cualquiera de ellas. Esta habilidad fue degran interés para los laboratorios de los ingenieros de la Universidad de Stanford Mark Cutkosky y David Lentink, ahora en la Universidad de Groningen en los Países Bajos, que han desarrollado tecnologías inspiradas en las habilidades de los animales.
"No es fácil imitar cómo los pájaros vuelan y se posan", dijo William Roderick, PhD '20, quien era un estudiante de posgrado en ambos laboratorios. "Después de millones de años de evolución, hacen que el despegue y el aterrizaje parezcan tan fáciles, inclusoentre toda la complejidad y variabilidad de las ramas de los árboles que encontraría en un bosque ".
Años de estudio sobre robots inspirados en animales en el Laboratorio Cutkosky y sobre robots aéreos inspirados en aves en el Laboratorio Lentink permitieron a los investigadores construir su propio robot encaramado, detallado en un artículo publicado el 1 de diciembre en Ciencia robótica . Cuando se conecta a un dron cuadricóptero, su "agarrador aéreo estereotipado inspirado en la naturaleza", o SNAG, forma un robot que puede volar, atrapar y transportar objetos y posarse en varias superficies. Mostrando la versatilidad potencial de este trabajo, ellos investigadores lo usaron para comparar diferentes tipos de arreglos de dedos de aves y para medir microclimas en un bosque remoto de Oregón.
Un pájaro bot en el bosque
En los estudios previos de los investigadores sobre loros, la segunda especie de loros más pequeños, las diminutas aves volaban de un lado a otro entre perchas especiales mientras eran grabadas por cinco cámaras de alta velocidad. Las perchas, que representan una variedad de tamaños y materiales, incluida madera, espuma, papel de lija y teflón, también contenían sensores que capturaban las fuerzas físicas asociadas con el aterrizaje, el posado y el despegue de las aves.
"Lo que nos sorprendió fue que hicieron las mismas maniobras aéreas, sin importar en qué superficies aterrizaran", dijo Roderick, quien es el autor principal del artículo. "Dejaron que los pies manejaran la variabilidad y complejidad de la textura de la superficieen sí mismo ". Este comportamiento de fórmula que se ve en cada aterrizaje de aves es la razón por la que la" S "en SNAG significa" estereotipado ".
Al igual que los loros, SNAG se acerca a cada rellano de la misma manera. Pero, para tener en cuenta el tamaño del quadcopter, SNAG se basa en las patas de un halcón peregrino. En lugar de huesos, tiene un 3D-estructura impresa, que tardó 20 iteraciones en perfeccionarse, y motores y sedal sustituyen a los músculos y tendones.
Cada pierna tiene su propio motor para moverse hacia adelante y hacia atrás y otro para manejar el agarre. Inspirado en la forma en que los tendones se enrutan alrededor del tobillo en las aves, un mecanismo similar en la pierna del robot absorbe la energía del impacto del aterrizaje y la convierte pasivamente en fuerza de agarre.El resultado es que el robot tiene un embrague especialmente fuerte y de alta velocidad que se puede activar para cerrar en 20 milisegundos. Una vez envuelto alrededor de una rama, los tobillos de SNAG se bloquean y un acelerómetro en el pie derecho informa que el robot ha aterrizado y activa unalgoritmo de equilibrio para estabilizarlo.
Durante COVID-19, Roderick trasladó equipos, incluida una impresora 3D, del laboratorio de Lentink en Stanford a la zona rural de Oregón, donde instaló un laboratorio en el sótano para realizar pruebas controladas. Allí, envió SNAG a lo largo de un sistema de rieles que lanzó el robot a diferentessuperficies, a velocidades y orientaciones predefinidas, para ver cómo funcionaba en varios escenarios. Con SNAG en su lugar, Roderick también confirmó la capacidad del robot para atrapar objetos lanzados con la mano, incluido un muñeco de presa, una bolsa de frijoles y una pelota de tenisPor último, Roderick y SNAG se aventuraron en el bosque cercano para realizar algunas pruebas en el mundo real.
En general, SNAG funcionó tan bien que los próximos pasos en el desarrollo probablemente se centrarían en lo que sucede antes del aterrizaje, como mejorar la conciencia de la situación y el control de vuelo del robot.
Volver a la naturaleza
Existen innumerables aplicaciones posibles para este robot, incluida la búsqueda y el rescate y el monitoreo de incendios forestales; también se puede conectar a tecnologías distintas a los drones. La proximidad de SNAG a las aves también permite obtener conocimientos únicos sobre la biología aviar. Por ejemplo, los investigadores ejecutaron elrobot con dos arreglos de dedos diferentes: anisodactyl, que tiene tres dedos al frente y uno atrás, como un halcón peregrino, y zygodactyl, que tiene dos dedos al frente y dos atrás, como un loro. Encontraron, para su sorpresa, que había muy poca diferencia de rendimiento entre los dos.
Para Roderick, cuyos padres son biólogos, una de las aplicaciones más interesantes para SNAG es la investigación ambiental. Con ese fin, los investigadores también conectaron un sensor de temperatura y humedad al robot, que Roderick usó para registrar el microclima enOregón.
"Parte de la motivación subyacente de este trabajo fue crear herramientas que podamos usar para estudiar el mundo natural", dijo Roderick. "Si pudiéramos tener un robot que pudiera actuar como un pájaro, que pudiera desbloquear formas completamente nuevas deestudiando el medio ambiente. "
Lentink, quien es el autor principal del artículo, elogió la persistencia de Roderick en lo que resultó ser un proyecto de varios años. "En realidad, Will habló con varios ecólogos en Berkeley hace seis años y luego escribió su beca NSF sobre robots aéreos posados.para el monitoreo ambiental que lanzó esta investigación ", dijo Lentink." La investigación de Will ha demostrado ser oportuna porque ahora hay un XPRIZE de 10 millones de dólares para este desafío de monitorear la biodiversidad en las selvas tropicales ".
Mark Cutkosky, coautor de este artículo, es profesor Fletcher Jones en la Escuela de Ingeniería y miembro de Stanford Bio-X y del Instituto de Neurociencias Wu Tsai. David Lentink es copresidente del grupo de Biomimética y profesor asociadode ciencia e ingeniería en la Universidad de Groningen en los Países Bajos.
Esta investigación fue financiada por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea y la Fundación Nacional de Ciencias.
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