“PigeonBot”(鸽子机器人),复刻鸟类羽毛的半生物机器人

  • 2020-01-18
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众所周知,鸟类的飞行能力主要依靠其翅膀,但如果要对鸟类的飞行进行研究,其过程是相当困难的,因为其动态翅膀形状和单个羽毛位置之间的关系非常复杂。因此即使是地球上最先进的机器人专家也渴望能够重现鸟类在空中飞行时的优雅和效率。但这并非易事。

近日,斯坦福大学研究人员的“PigeonBot”(鸽子机器人)通过研究和展示鸟类的羽毛在飞行时的独特品质,朝着复刻鸟类飞行的方向迈出了很大一步。

机械工程教授David Lentink要求他的研究生解剖鸟类翅膀变形机制的生物力学,并将这些见解体现在一个具有真实飞行羽毛的变形生物混合机器人中。他们将普通鸽子作为模型,因为Lentink很欣赏这种鸽子的弹性。

他的博士生们分工对这个项目进行了不同程度的实现和帮助,他们分析了鸟类的骨骼运动,因为这样能够确定在机器人中模拟手腕和手指的运动,就可以驱动所有20根主要和20根次要的飞行羽毛。

另外一个人通过对骨骼运动的简单线性反应,揭示了羽毛是如何运动的。研究得出,鸟类翅膀是一个巨大的欠驱动系统,在这个系统中,鸟类不必不断地单独驱动每根羽毛。相反,所有的羽毛都通过连接羽毛和骨骼的弹性韧带自动跟随手腕和手指的运动。

除了发现羽毛的个体控制比人工控制更为自动化之外,研究小组还发现羽毛上的微小微结构形成了一种单向尼龙搭扣型材料,使它们形成一个连续的表面,而不是一堆断开的表面。

这款飞行机器人使用40只实际的鸽子羽毛和一个超轻型框架,常和团队制造了一种简单的飞行机器,它不能从羽毛中获得升力,但是使用它们在滑翔时使用相同类型的弯曲和变形。

研究小组发现,每当翅膀变动时,由于羽毛基部的弹性缔结组织具有顺应性,羽毛会被动地重新分布。鸟儿(和机器人)在翅膀部分缩回时使用“手腕”,在伸展时使用“手指”来控制飞行。但它是以一种非常优雅的方式完成的,它将所需的思想和机制最小化。

这项研究成果可以为飞机改进机翼设计提供信息,目前飞机的机翼设计在许多方面依赖于一个多世纪前确立的原则。当然,客机不需要在短时间内俯冲或滚转,但无人机和其他小型飞行器可能会发现这种能力非常有用。研究人员还表示,这里提出的欠驱动变形机翼原理可能会激发出比以前考虑的更经济、更简单的飞行器和机器人变形机翼设计。



作者:Suki