Víte, že existuje dron s ptačíma nohama?

Větve stromů mají různou velikost, tvar, mohou být kluzké, pokryté lišejníky a podobně. Přesto na nich ptáci dokážou přistávat a zase z nich odletět. Tato přizpůsobivost je dána stavbou prstů a schopností udržovat rovnováhu, což jsou klíčové aspekty také pro zdokonalení přístrojů. Dnešní roboti však mají velmi omezenou schopnost uchopovat nepravidelné předměty, což mj. omezuje přistávání na nerovném povrchu. Jak tuto situaci vyřešit?

S využitím nedávných poznatků o tom, jak ptáci přistávají, vzlétávají a uchopují kořist v letu, vyvinul tým inženýrů ze Stanfordské univerzity (v Kalifornii), který vedl William Roderick, nové robotické uchopovače.

Základem bylo zkoumání pohybu malých papoušků při přistání. Vědci použili vysokorychlostní kamery při záznamu přeletu ptáků mezi bidýlky lišícími se velikostí a materiálem (dřevo, brusný papír, teflon aj.). Bidýlka měla senzory zaznamenávající tlak, který papoušci vyvíjeli při přistávání, odpočinku nebo vzletu.

„Překvapivé bylo, že zvířata prováděla stejné manévry bez ohledu na povrch, na kterém přistávala,“ uvádí Roderick. S jakkoli složitým povrchem si poradí jen s pomocí nohou. Ptáci ovinou prsty kolem bidýlka, přičemž měkké a vrásčité polštářky prstů zajistí spolehlivé tření. Jedná se o stereotypní mechanismus, který je základem přizpůsobení se k přistání. Z tohoto principu a dalších aspektů pak vědci vycházeli při technické realizaci tohoto ptačího mechanismu.

Tak vznikl „SNAG“ (Sterotyped Nature-inspired Aerial Grasper) – technický systém nohou a prstů, který lze připojit k dronu. Aby odpovídal velikosti kvadroptéry, byly části SNAG modelovány podle nohou a prstů větších ptáků – sokolů stěhovavých. Kosti jsou imitovány 3D tištěnými plastovými prvky a svaly se šlachami zastupují motory s vlasci. Každá noha má jeden hnací prvek pro pohyb tam a zpět a další pro uchopování.

Obě nohy robotického systému dokážou pasivně přeměňovat energii nárazu na sílu uchopení. Výsledkem je, obzvláště silné a rychlé uchopení, které SNAG provede během 20 milisekund. To je 4 x rychlejší něž předchozí vysokorychlostní uchopovací mechanismy. Jakmile má SNAG větev pod kontrolou, akcelerometr na pravé noze ohlásí přistání a spustí vyrovnávací algoritmus, který nakloní robota dopředu, aby nespadl. Stejně jako to dělají skuteční ptáci.

Při testování dokázal ptačí robot bezpečně přistávat na různých objektech a chytat malé předměty jako je sáček s fazolemi nebo tenisový míček. I pokusy s přistáváním v reálných podmínkách v lesích Oregonu dopadly slibně. Při dalším vývoji tohoto konceptu se autoři chtějí soustředit na optimalizaci přípravy na přistání v členitém prostředí, což vyžaduje zlepšení schopnosti odhadnout situaci a řídit let.

Až bude tento přistávací systém plně vyvinut, mohl by mít řadu využití. Potenciál spočívá především v letových přestávkách, neboť drony dosud výrazně omezuje nedostatek možností k přistání. Jde o šetření energie v situacích, kdy by se jinak musely vznášet. Použití lze očekávat při pátracích a záchranných operacích nebo při monitoringu lesních požárů. Výzkumníci však především zdůrazňují využití pro levný sběr dat při studiu přírodních ekosystémů, např. deštných pralesů. Při přistání na větvi či na zemi může být např. měřena vlhkost a teplota vypovídající o mikroklimatu. „Pokud máme robota, který se dokáže chovat jako pták, mohlo by to otevřít zcela nové způsoby zkoumání životního prostředí,“ uvádí Roderick.

Konstrukce těchto robotů může přinést i nové poznatky o stavbě těla ptáků. Tým například vyzkoušel obě nejběžnější uspořádání prstů – tři prsty vpředu a jeden vzadu versus dva vpředu a dva vzadu – a zjistil, že uspořádání nemění uchopovací schopnost robota. To ukazuje, že tyto evoluční rozdíly vznikly z jiných důvodů.

Zajímal by vás vývoj podobných systémů? Přihlaste se ke studiu oboru automatické řízení a robotika na Fakultě aplikovaných věd Západočeské univerzity v Plzni.

 

Zdroje:

https://www.wissenschaft.de/technik-digitales/griffiges-lande-system-fuer-drohnen/

https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abj7562#