Robot landt als een vogel

Geen twee takken zijn hetzelfde; ze kunnen verschillen in grootte, vorm en textuur. Sommige kunnen nat zijn of met mos bedekt, of barsten van de uitlopers. En toch kunnen vogels op zowat elk van hen landen. Een mooie uitdaging voor ontwikkelaars van robots.

Het vermogen om op nagenoeg elke tak te kunnen landen, was van groot belang voor onderzoekers aan Stanford University in de gelijknamige plaats in Californië. Zij hebben technologieën ontwikkeld die zijn geïnspireerd op dierlijke vermogens. Een van de onderzoekers was prof. David Lentink, thans verbonden aan Rijksuniversiteit Groningen.

Het is niet gemakkelijk om na te bootsen hoe vogels vliegen en neerstrijken. Na miljoenen jaren van evolutie kunnen ze gemakkelijker opstijgen en landen tussen alle complexiteit en variabiliteit van de boomtakken in een bos.

Na jarenlang onderzoek naar op dieren geïnspireerde robots in het laboratorium konden de wetenschappers hun eigen neerstrijkende robot bouwen. Wanneer ze zijn bevestigd aan een quadcopter-drone kan de grijper rondvliegen, objecten vangen en vervoeren en op verschillende oppervlakken neerstrijken. De onderzoekers toonden de potentiële veelzijdigheid van dit werk en gebruikten het om verschillende soorten klauwarrangementen te vergelijken en om microklimaten in een afgelegen bos in Oregon te meten.

Aandrijving

In eerdere studies naar de op één na kleinste papegaaiensoort vlogen de kleine vogels heen en weer tussen speciale zitstokken terwijl ze werden vastgelegd door vijf hogesnelheidscamera's. De zitstokken uit verschillende maten en materialen (waaronder hout, schuim, schuurpapier en teflon) bevatten ook sensoren die de fysieke krachten registreerden die gepaard gaan met het landen, neerstrijken en opstijgen van de vogels.

Wat de wetenschappers verraste, was dat vogels dezelfde luchtmanoeuvres uitvoerden, ongeacht op welke oppervlakken ze landden. Net als de papegaaitjes benadert de vogelrobot elke landing op dezelfde manier. Maar om rekening te houden met de grootte van de quadcopter, zijn de poten gebaseerd op die van een slechtvalk. In plaats van botten heeft de robotvogel een 3D-geprinte structuur. Motortjes en vislijn vormen de spieren en pezen.

Elke poot heeft een eigen motor om heen en weer te bewegen en een andere om het grijpen aan te kunnen. Een door pezen rond de enkel van een vogel geïnspireerd mechanisme in het been van de robot absorbeert de energie van de landing en zet deze passief om in grijpkracht. Het resultaat is dat de robot een sterke en snelle koppeling heeft die in 20 ms kan worden geactiveerd. Eenmaal rond een tak gewikkeld, vergrendelen de enkels. Een versnellingsmeter op de rechtervoet meldt dat de robot is geland en activeert een balancerend algoritme om hem te stabiliseren.

Naar Oregon

Tijdens de Covid-19 pandemie verplaatsten de onderzoekers apparatuur, waaronder een 3D-printer, van Stanford naar het landelijke Oregon. Ze stuurden de grijper langs een railsysteem dat de robot naar verschillende oppervlakken lanceerde, met vooraf gedefinieerde snelheden en oriëntaties, om te zien hoe hij presteerde in verschillende scenario's. Met de grijper op zijn plaats bevestigden ze ook het vermogen van de robot om met de hand gegooide voorwerpen te vangen, waaronder een prooidummy en een tennisbal. Tenslotte ging het naar het nabijgelegen bos voor enkele proeven in de echte wereld.

Over het algemeen presteerde de grijper zo goed dat de volgende stappen in de ontwikkeling zich waarschijnlijk richten op wat er vóór de landing gebeurt, zoals het verbeteren van het situationeel bewustzijn en de vluchtcontrole van de robot.

Terug naar de natuur

Er zijn talloze mogelijke toepassingen voor deze robot, waaronder zoek- en reddingsacties en bewaking van natuurbranden. De grijper kan ook worden gekoppeld aan andere technologieën dan drones. De nabijheid van de grijper tot vogels zorgt ook voor unieke inzichten in de biologie van vogels. De onderzoekers lieten de robot bijvoorbeeld lopen met twee verschillende teenarrangementen: anisodactyl (drie tenen vooraan en één achteraan, zoals een slechtvalk) en zygodactyl (twee tenen vooraan en twee achteraan, zoals een papegaai). De onderzoekers ontdekten tot hun verbazing dat er heel weinig prestatieverschil was tussen de twee.

Een deel van de onderliggende motivatie van dit werk was om hulpmiddelen te creëren om de natuurlijke wereld te bestuderen. Een robot die zich als een vogel zou kunnen gedragen, zou nieuwe manieren kunnen bieden om de omgeving te bestuderen. Er is al een budget van tien 10 miljoen dollar beschikbaar om de biodiversiteit in regenwouden te bewaken.

Foto: William Roderick