仿生『機器鳥』誕生 有望用于火災預警系統、天氣模式監測等

空中機器人

一直以來，對于鳥類的仿生機器人研究，人們大多關注它們如何高效地在空中飛行，例如仿照鳥類的翅膀結構設計出撲翼式無人機。而鳥類能夠在復雜環境下棲息和抓取的能力也同樣令人驚嘆：獵鷹不僅能平穩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，鳥類的這些強大能力還依賴于它們看似普通的鳥腿和鳥爪。

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

空中機器人模擬獵鷹抓取物體

空中機器人模擬鳥類棲息在樹枝上

相關成果以論文形式發表，論文題為《在樹棲環境中受鳥類啟發的動態抓取和棲息》，這一創新對于鳥類的生物學研究和無人機的工程應用來說都是極大的突破。

論文第一作者威廉·羅德里克表示，“經過千百萬年的進化，不管樹枝的粗細和曲折度，降落點表面的粗糙度等各種環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，而要模仿這種靈活的棲息行為并不容易”。

空中機器人復現短尾鸚鵡的著陸過程

目前，對機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，無法廣泛用于現實環境。為了解決這一問題，生物力學的相關研究表明，鳥類的這種模式化的著陸行為本質上遵循著一種“基于碰撞時間的引導策略”，即鳥類在著陸時會根據當前的飛行速度做出一系列的調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，調整身體以維持平衡，等等。

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

研究過程和亮點

仿鳥爪機構SNAG的機械設計示意圖

首先，研究者們參照鳥類的腿部構造，以等比的尺寸和重量設計并制造了SNAG的機械結構。整個仿生鳥爪的剛性結構都是通過3D打印技術制造，用來模擬鳥腿部的骨骼、關節和腳趾，并采用伺服電機和雙彈簧機構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。

仿鳥爪機構SNAG的機械設計示意圖

依靠這些精密的機械結構，鳥類自然抓取的兩個關鍵機制得以復現。一個是“屈肌機制”：通過關節彎屈折疊，拉伸腿部肌腱彈簧，在吸收接觸沖擊力的同時，還能將沖擊能量轉化為更大的抓力；另一個是“腱鎖機制”：在腿部彎曲的同時，通過腳部電機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內完成，使得爪子能夠迅速地牢牢抓住物體。而當要離開棲息物時，可再次通過腳部的電機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械結構研究影響鳥類成功著陸的潛在因素，例如：機械硬件參數（機體的質量、尺寸大小等）、運動學參數（著陸時的速度大小和方向、腿的屈伸角度、機體的平衡角度等）以及不同的棲息表面參數等等。通過基于力學理論分析得到的數學模型和實驗測試數據來估計這些參數的邊界，構建出一個類似于飛行包線的“充分棲息域”模型。該模型不僅可以進一步優化系統結構，還為著陸控制的設計提供了可靠依據。

兩種常見的鳥類腳趾構型示意圖

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

然后，著陸后的平衡控制也是至關重要的，因為主動的平衡控制，能夠擴大“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著陸。

不同平衡控制算法的性能對比

一旦平衡算法機制被觸發，機器人便通過旋轉機體平臺調整重心，維持平衡。實驗中測試了固定角度調節、開環調節和閉環調節三種平衡控制算法，其中閉環調節方案使用了加速度計的反饋來調整重心，在各種測試情況下都表現出更好的著陸性能。

SNAG空中機器人的動態抓取能力測試

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

SNAG空中機器人的戶外測試

實驗表明，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，研究團隊對該空中機器人進行了更加綜合的戶外測試：操控機器人從一塊草地起飛，降落并棲息在樹枝上，然后監測并記錄當地環境的溫濕度等氣候數據，最后又返回原起飛點。

實際應用和未來展望

樹棲機器人用于檢測叢林氣候

戶外的測試實驗充分展示了該機器人在叢林中的優勢：通過加載不同的傳感器模塊，該種具有仿鳥爪結構的空中機器人能夠被廣泛應用于野外叢林環境中，除了可以用來收集野外氣象環境、動植物樣本等數據外，還能完成野外搜救、森林火災預警等任務。

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

然而，為了進一步推動該機器人的實際應用，現有的工作還需要很多的改進。

首先，機器人的仿生機械爪系統和飛行平臺之間的功能聯系并不緊密，例如真實鳥類著陸時，一般會通過翅膀產生輔助氣動力，來維持身體的平衡，而非僅僅依靠腿部力量的調節，因此，系統還需要對各個組件進行更深入的集成。

其次，當前研究中腳部的加速度計為身體的平衡調節提供唯一的信息反饋，而真實鳥類則可以依靠諸如視覺、觸覺等更多的信息源，因此，系統還可以從多傳感器信息融合方面進一步完善，從而提高抓取和著陸的能力。

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