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  • 自然科普:空中抓取器很酷炫?鳥兒:還不是我的爪子給你的靈感
    發布時間:2022-05-12
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    如果你是一個喜歡逛公園的人,肯定見過鳥兒在樹枝上快樂蹦跶的場景。那你可曾注意到,似乎不論樹枝是粗是細,是光滑還是粗糙,哪怕是長滿苔蘚,鳥兒始終能夠一視同仁,扎根一般地抓在樹枝上,甚至蹲著打個盹也是小菜一碟。

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    在樹枝上站得穩穩當當的鳥兒們(圖片來源:新浪微博https://weibo.com/1867169435/FAMXKznUl)

    細心的科學家們很早就發現了這個現象,并向鳥兒們“拜師學習”,終于成功給科技領域中的“小鳥”——無人機,也裝了一雙爪子,并將這個機械爪命名為SNAG。

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    動圖:SNAG 能夠像鳥類一樣緊緊的抓住物體降落(圖片來源:https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abj7562)

    兩位科學家,美國斯坦福大學的工程師MarkCutkosky 和荷蘭格羅寧根大學的 David Lentink,受到鳥類啟發,發明了搭載于無人機上的機械爪SNAG,登上了著名科學刊物Science Robotics的封面。

    目前,這種機械爪已經成功搭載在了他們所制造的無人機上,并進行了多個維度的實驗與實際任務測試。

    鳥兒為什么能夠掌握這項本領?科學家又是怎樣從鳥兒這里學到技巧,從而給無人機也加上這樣一雙靠譜的爪子呢?

    Part.1

    一雙結構神奇、骨骼精奇的爪子

    鳥兒的種類繁多,抓住樹枝的能力也不太相同。諸如鴕鳥、火烈鳥,或是鴨子一類的鳥,本身不具備長距離飛行和棲息在樹上的能力,爪子的抓握能力自然相對較弱;而其它大多數鳥類,不用說穩穩站在樹枝上,就算是在上面睡覺也輕而易舉。

    事實上,鳥類這項能力最大的功臣就是它特殊的爪子結構。從表皮到肌肉,到韌帶再到骨骼,千萬年的進化讓鳥兒爪子的每一個細節都為“抓握”這個小動作量身定制。

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    鷹隼健壯有力的爪子(圖片來源:Veer圖庫)

    先從外皮說起。相信大家都吃過一道菜——“虎皮鳳爪”,我們仔細觀察就會發現,雞爪表面都是一塊塊的小疙瘩,而且與地面接觸的部分,疙瘩更加細密。而其他大部分鳥的趾爪也具有這種鱗片狀的角質硬皮結構,它能夠最大限度地增加鳥類爪子與地面的接觸面積和摩擦力,讓鳥兒即使在光滑的電線上也能抓得穩穩當當。

    此外,這層外皮既堅硬又沒有痛覺神經,保證鳥兒看見樹枝或是粗糙的地面,能不假思索地落下去停穩,不用考慮被割傷劃傷。

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    鳥類爪子的表皮有鱗片狀角質硬皮結構(圖片來源:Veer圖庫)

    不僅是爪子的外皮有講究,鳥的肌肉、韌帶、骨骼更像是一座嚴絲合縫的精致機器。大部分鳥的四個趾爪有三個在前,一個在后,這些趾爪又細又長,適合環繞貼緊不同粗細的樹枝。而當鳥爪抓住樹枝后,鳥兒會迅速蹲下后半身,彎曲腿,屈肌腱也隨之自動繃緊,帶動爪子扣緊樹枝?!白隆边@一微小的動作仿佛帶動了一系列機關,一氣呵成。此時,扣緊的爪子就如同“上了鎖”,即使打個盹也不會輕易松開。

    Part.2

    睡覺需要、捕食需要,這是一雙很忙的爪子

    看到這兒,你是不是覺得鳥兒“上了鎖”的爪子必定是力量滿滿?讓人意想不到的是,與人類的手抓取物體時肌肉緊繃不同,鳥類爪子扣緊時肌肉是松弛的,也就是鳥類在下落起飛時才需要使力,??吭跇渲ι献ゾo樹干卻毫不費勁。

    正因如此,鳥兒們才能輕松地站在樹枝上歇息打盹。再加上鳥類的睡眠程度通常較淺,它們甚至可以做到一半大腦正在睡眠,另一半大腦保持清醒,因此在樹上打盹的時候,鳥兒依舊可以調節身體各個部分,保持平衡。

    這樣精巧靈活而又健壯有力的爪子,同樣是許多鳥類捕獵的利器。肉食性鳥類主要的武器便是嘴和爪子,而鷹是將這兩樣武器是用到極致的佼佼者。鷹爪握力超越人的十倍,可以輕易刺穿大型動物的頭骨,是實打實的利器。正因鳥爪如此精密而實用,所以科學家們在創造發明時,從中獲得了許多靈感。

    Part.3

    機械爪SNAG:人類向鳥兒拜師的又一成果

    較早時期,人類學習鳥類飛行的原理,改善并發明應用了飛機。之后螺旋翼的直升機和小型無人機盡管與鳥的結構不再類似,可人們仍能從鳥類身上獲得很多的靈感,然后加裝到無人機上。而今天的機械爪SNAG,正是人類向鳥兒拜師的又一成果。

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    搭載SNAG的無人機穩穩抓在樹上(圖片來源:參考文獻[1])

    SNAG采用3D打印技術制作,材料輕便,堅固耐用。整體結構均仿照鷹爪,包括趾爪表皮、骨骼以及關鍵的聯動肌腱。

    SNAG表面具有增大摩擦力的趾墊和爪尖,保證其與接觸表面充足的摩擦力。用齒輪和連接桿組成的、類似鷹爪骨骼肌腱的傳動結構,保證了抓握的牢固性和低能耗。與鳥類肌肉特點相似,在保持靜態抓握時,SNAG也是處于自然的低能耗狀態。

    這項仿照鷹爪的設計大獲成功,SNAG能夠長時間抓握在不同物體表面,包括足夠承載無人機重量的樹枝和凹凸不平的地面。它也能像真正的鷹爪一樣,根據指令抓握、拿取物品。

    Part.4

    有了SNAG,我們能做什么?

    和優秀的鳥爪一樣,這種機械爪的主要任務就是??亢妥ト?,而這兩項功能都對無人機的實際作業有著非比尋常的意義。

    首先,??渴菫闊o人機省電的重要舉措。玩過無人機的小伙伴應該深有體會,續航能力是考驗無人機性能的關鍵指標之一。但是在野生動物監控、情況勘測等任務中,需要無人機長時間懸停作業,以至于現有的電源無法支持任務完成。如果能夠依靠SNAG???,耗電量將不到懸停的1/10,大大緩解了無人機續航能力不足的情況。

    其次,抓取與運送物品的能力,對于無人機泛用度的意義更是不言而喻。在某些環境下,例如,復雜崎嶇,人力難以觸及或事故風險高的地帶,如充斥有毒氣體的礦洞,危險生物潛伏的沼澤等,無人機可以完成快速探測取樣和短距離運輸的任務。

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    動圖:SNAG 能夠平穩起飛和降落(圖片來源:https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abj7562)

    盡管SNAG目前仍然存在某些問題,比如抓取操作需要人為操控,無法實現自動探測適合的表面或樹枝進行抓取,但它仍然給我們帶來了廣闊的想象空間。

    未來,SNAG也許會成為某些復雜場景下無人機的標配,實現無人機的長時間運作和靈活樣品采集,還可能在其他類型的機器人甚至火星探測器等應用場景中綻放光彩。

    SNAG是人類模仿鳥類而取得的又一精妙成果,是仿生機器人的再一次進步。事實上,科學的本質就是在這樣不斷地探索、啟發、創新中進步,從自然中學習、掌握規律,并化為人類自己進步的力量。留心觀察身邊,專注思考遷移,也許下一個上熱門的發現,就藏在你家樓下的小樹林里。



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