Stanford-Ingenieure bauen vogelähnlichen Roboter, der präzise landet

Wie Schneeflocken sind keine zwei Äste gleich. Sie unterscheiden sich in Größe, Form und Textur; manche sind nass, moosbewachsen oder voller Verzweigungen. Und doch können Vögel auf fast jedem von ihnen landen. Diese Fähigkeit weckte großes Interesse in den Laboren der Stanford-Ingenieure Mark Cutkosky und David Lentink – mittlerweile an der Universität Groningen in den Niederlanden –, die beide Technologien entwickeln, die von tierischen Fähigkeiten inspiriert sind.

„Es ist nicht einfach, nachzuahmen, wie Vögel fliegen und landen“, sagte William Roderick, PhD ’20, der in beiden Laboren promovierte. „Nach Millionen Jahren Evolution machen sie Start und Landung so einfach aussehend, trotz all der Komplexität und Variabilität der Baumäste, die man in einem Wald findet.“

Jahrelange Forschung zu tierinspirierten Robotern im Cutkosky-Labor und zu vogelinspirierten Flugrobotern im Lentink-Labor ermöglichten den Forschern, ihren eigenen Lande-Roboter zu bauen. An einen Quadrocopter-Drohne montiert, bildet ihr „stereotyped nature-inspired aerial grasper“ (SNAG) einen Roboter, der fliegen, Objekte fangen und tragen sowie auf verschiedenen Oberflächen landen kann. Um die Vielseitigkeit dieser Arbeit zu demonstrieren, nutzten die Forscher ihn, um verschiedene Zehenanordnungen von Vögeln zu vergleichen und Mikroklimata in einem abgelegenen Wald in Oregon zu messen.

Vom Papagei zum Falken-Modell

In früheren Studien zu Sperlingspapageien – der zweitkleinsten Papageienart – flogen die winzigen Vögel zwischen speziellen Ästen hin und her, während sie von fünf Hochgeschwindigkeitskameras aufgezeichnet wurden. Die Äste – die eine Vielzahl von Größen und Materialien wie Holz, Schaum, Sandpapier und Teflon repräsentierten – enthielten auch Sensoren, die die physikalischen Kräfte bei Landung, Sitzen und Start der Vögel erfassten.

„Was uns überraschte, war, dass sie dieselben Flugmanöver ausführten, egal auf welchen Oberflächen sie landeten“, sagte Roderick, Erstautor der Studie. „Sie überließen den Füßen die Bewältigung der Variabilität und Komplexität der Oberflächentextur.“ Dieses formelhafte Verhalten bei jeder Vogellandung ist der Grund, warum das „S“ in SNAG für „stereotyped“ (stereotyp) steht.

Genau wie die Sperlingspapageien nähert sich SNAG jeder Landung auf die gleiche Weise. Um jedoch die Größe des Quadrocopters zu berücksichtigen, basiert SNAG auf den Beinen eines Wanderfalken. Anstelle von Knochen besitzt er eine 3D-gedruckte Struktur – die 20 Iterationen zur Perfektionierung benötigte – und Motoren sowie Angelschnur übernehmen die Funktion von Muskeln und Sehnen.

Jedes Bein hat einen eigenen Motor für Vorwärts- und Rückwärtsbewegung und einen weiteren für das Greifen. Inspiriert von der Art, wie Sehnen bei Vögeln um den Knöchel verlaufen, absorbiert ein ähnlicher Mechanismus im Roboterbein die Aufprallenergie bei der Landung und wandelt sie passiv in Greifkraft um. Das Ergebnis ist eine besonders starke und schnelle Kupplung, die in 20 Millisekunden auslösen und schließen kann. Einmal um einen Ast gewickelt, verriegeln SNAGs Knöchel, und ein Beschleunigungssensor am rechten Fuß meldet die Landung und löst einen Balancierungsalgorithmus zur Stabilisierung aus.

Tests im Labor und im Wald

Während der COVID-19-Pandemie verlegte Roderick Ausrüstung, einschließlich eines 3D-Druckers, aus Lentinks Labor in Stanford nach ländliches Oregon, wo er ein Kellerlabor für kontrollierte Tests einrichtete. Dort ließ er SNAG entlang eines Schienensystems starten, das den Roboter mit vordefinierten Geschwindigkeiten und Ausrichtungen auf verschiedene Oberflächen schoss, um die Leistung in verschiedenen Szenarien zu testen. Mit festgehaltenem SNAG bestätigte Roderick auch die Fähigkeit des Roboters, per Hand geworfene Objekte zu fangen, darunter eine Beute-Attrappe, ein Cornhole-Säckchen und einen Tennisball. Schließlich unternahmen Roderick und SNAG Testläufe im nahegelegenen Wald.

Insgesamt schnitt SNAG so gut ab, dass die nächsten Entwicklungsschritte sich wahrscheinlich auf das vor der Landung Geschehende konzentrieren werden, wie die Verbesserung der situativen Wahrnehmung und Flugsteuerung des Roboters.

Anwendungen

Es gibt unzählige mögliche Anwendungen für diesen Roboter, darunter Suche und Rettung sowie Waldbrandüberwachung; er kann auch an andere Technologien als Drohnen angebracht werden. SNAGs Nähe zu Vögeln ermöglicht zudem einzigartige Einblicke in die Vogelbiologie. So ließen die Forscher den Roboter mit zwei verschiedenen Zehenanordnungen laufen – anisodactyl, mit drei Zehen vorne und einer hinten wie beim Wanderfalken, und zygodactyl, mit zwei Zehen vorne und zwei hinten wie beim Sperlingspapagei. Zu ihrer Überraschung fanden sie kaum Leistungsunterschiede zwischen den beiden.

Für Roderick, dessen Eltern beide Biologen sind, ist eine der aufregendsten Anwendungen die Umweltforschung. Zu diesem Zweck befestigten die Forscher auch einen Temperatur- und Feuchtigkeitssensor am Roboter, mit dem Roderick das Mikroklima in Oregon aufzeichnete.

„Ein Teil der zugrundeliegenden Motivation dieser Arbeit war es, Werkzeuge zu schaffen, mit denen wir die natürliche Welt untersuchen können“, sagte Roderick. „Wenn wir einen Roboter hätten, der sich wie ein Vogel verhält, könnte das völlig neue Wege der Umweltforschung eröffnen.“