Stanford-Ingenieure entwickeln einen hockenden, vogelähnlichen Roboter

Wie Schneeflocken sind keine zwei Zweige gleich. Sie können sich in Größe, Form und Textur unterscheiden; manche sind nass oder moosbedeckt oder voller Ausläufer. Und doch können Vögel auf fast jedem von ihnen landen. Diese Fähigkeit war von großem Interesse für die Labore der Stanford University-Ingenieure Mark Cutkosky und David Lentink – jetzt an der Universität Groningen in den Niederlanden – die beide Technologien entwickelt haben, die von tierischen Fähigkeiten inspiriert sind.

„Es ist nicht einfach, das Fliegen und Sitzen von Vögeln nachzuahmen“, sagte William Roderick, PhD ’20, der in beiden Labors als Doktorand tätig war. „Nach Millionen von Jahren der Evolution lassen sie Start und Landung so einfach aussehen, selbst bei all der Komplexität und Variabilität der Äste, die man in einem Wald finden würde.“

Jahrelange Studien zu von Tieren inspirierten Robotern im Cutkosky Lab und zu von Vögeln inspirierten Flugrobotern im Lentink Lab ermöglichten es den Forschern, ihren eigenen Sitzroboter zu bauen. Wenn sie an einer Quadcopter-Drohne befestigt sind, bildet ihr „stereotyper, von der Natur inspirierter Luftgreifer“ oder SNAG einen Roboter, der herumfliegen, Objekte fangen und tragen und auf verschiedenen Oberflächen sitzen kann. Die Forscher zeigten die potenzielle Vielseitigkeit dieser Arbeit und nutzten sie, um verschiedene Arten von Vogelzehenanordnungen zu vergleichen und das Mikroklima in einem abgelegenen Wald in Oregon zu messen.

In früheren Studien der Forscher an Papageien – der zweitkleinsten Papageienart – flogen die winzigen Vögel zwischen speziellen Sitzstangen hin und her, während sie von fünf Hochgeschwindigkeitskameras aufgezeichnet wurden. Die Sitzstangen – die eine Vielzahl von Größen und Materialien darstellen, darunter Holz, Schaumstoff, Sandpapier und Teflon – enthielten auch Sensoren, die die physikalischen Kräfte erfassten, die mit der Landung, dem Sitzen und dem Abheben der Vögel verbunden waren.

„Was uns überraschte, war, dass sie die gleichen Flugmanöver durchführten, egal auf welchen Oberflächen sie landeten“, sagte Roderick, der Hauptautor der Studie. „Sie lassen die Füße die Variabilität und Komplexität der Oberflächenstruktur selbst handhaben.“ Dieses formelhafte Verhalten, das bei jeder Vogellandung zu beobachten ist, ist der Grund, warum das „S“ in SNAG für „stereotyped“ steht.

Genau wie die Papageien geht SNAG jede Landung auf die gleiche Weise an. Um der Größe des Quadcopters Rechnung zu tragen, basiert SNAG jedoch auf den Beinen eines Wanderfalken. Anstelle von Knochen hat es eine 3D-gedruckte Struktur – die in 20 Iterationen perfektioniert wurde – und Motoren und Angelschnur stehen für Muskeln und Sehnen.

Jedes Bein hat seinen eigenen Motor zum Vor- und Zurückbewegen und einen anderen zum Greifen. Inspiriert von der Art und Weise, wie Sehnen bei Vögeln um den Knöchel verlaufen, absorbiert ein ähnlicher Mechanismus im Bein des Roboters die Aufprallenergie bei der Landung und wandelt sie passiv in Greifkraft um. Das Ergebnis ist, dass der Roboter über eine besonders starke und schnelle Kupplung verfügt, die in 20 Millisekunden zum Schließen ausgelöst werden kann. Sobald er sich um einen Ast gewickelt hat, meldet der Knöchelverschluss von SNAG und ein Beschleunigungsmesser am rechten Fuß, dass der Roboter gelandet ist, und löst einen Ausgleichsalgorithmus aus, um ihn zu stabilisieren.

Während COVID-19 verlegte Roderick Geräte, einschließlich eines 3D-Druckers, von Lentinks Labor in Stanford ins ländliche Oregon, wo er ein Kellerlabor für kontrollierte Tests einrichtete. Dort schickte er SNAG entlang eines Schienensystems, das den Roboter mit vordefinierten Geschwindigkeiten und Ausrichtungen auf verschiedene Oberflächen startete, um zu sehen, wie er sich in verschiedenen Szenarien verhält. Mit SNAG an Ort und Stelle bestätigte Roderick auch die Fähigkeit des Roboters, von Hand geworfene Objekte zu fangen, darunter eine Beuteattrappe, einen Maisloch-Sitzsack und einen Tennisball. Zuletzt wagten sich Roderick und SNAG in den nahe gelegenen Wald, um einige Testläufe in der realen Welt zu absolvieren.

Insgesamt hat SNAG so gut abgeschnitten, dass sich die nächsten Entwicklungsschritte wahrscheinlich darauf konzentrieren werden, was vor der Landung passiert, wie z. B. die Verbesserung des Situationsbewusstseins und der Flugsteuerung des Roboters.

Anwendungen

Es gibt unzählige Anwendungsmöglichkeiten für diesen Roboter, darunter Such- und Rettungsdienste sowie die Überwachung von Waldbränden. Es kann auch an andere Technologien als Drohnen angeschlossen werden. Die Vogelnähe von SNAG ermöglicht zudem einzigartige Einblicke in die Vogelbiologie. Zum Beispiel ließen die Forscher den Roboter mit zwei verschiedenen Zehenanordnungen laufen – Anisodaktylus, der drei Zehen vorne und einen hinten hat, wie ein Wanderfalke, und Zygodaktylus, der zwei Zehen vorne und zwei hinten hat, wie ein Papagei. Zu ihrer Überraschung stellten sie fest, dass zwischen den beiden nur sehr geringe Leistungsunterschiede bestanden.

Für Roderick, dessen Eltern beide Biologen sind, liegt eine der spannendsten Anwendungsmöglichkeiten für SNAG in der 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 zugrunde liegenden Motivation dieser Arbeit bestand darin, Werkzeuge zu entwickeln, mit denen wir die natürliche Welt studieren können“, sagte Roderick. „Wenn wir einen Roboter haben könnten, der sich wie ein Vogel verhalten könnte, könnte das völlig neue Wege eröffnen, die Umwelt zu untersuchen.“