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动物学研究提高科技进步

科学研究

在五只高速摄像机的注视下,一只名叫加里的小蓝蓝鸟等待着飞行的信号。斯坦福大学的研究生,加里的培训师戴安娜·金将她的手指指向距离大约20英寸的鲈鱼。这里的特点是鲈鱼被聚四氟乙烯覆盖,使得它似乎不可能稳定地抓住。加里的成功触地得分可以帮助研究人员建立更好的飞行机器人。

“现代空中机器人通常需要跑道或平坦的表面,以便于起飞和降落。对于一只鸟来说,几乎所有地方都是潜在的着陆点,即使在城市也是如此,“Chin说,机械工程助理教授David Lentink的实验室成员。“我们真的很想了解他们如何实现这一目标以及所涉及的动力和力量。”

即使是最先进的机器人在处理不同形状,大小和纹理的物体时也远远没有接近动物的抓握能力。因此,研究人员收集了有关加里和另外两只鸟类如何落在不同种类表面上的数据,包括各种天然栖息地和泡沫,砂纸和特氟隆覆盖的人工栖息地。

“这与要求一名奥运体操运动员在没有粉手的情况下降落在铁氟龙覆盖的高杆上并没有什么不同,”eLife论文的高级作者伦廷克说。然而,这些鹦鹉似乎几乎不可能让人看起来毫不费力。研究结果还包括对鸟类的爪子和脚如何产生摩擦的详细研究。通过这项工作,研究人员发现,鹦鹉的栖息多功能性的秘密就在掌握之中。

“当我们看到一个跑步的人,一只松鼠跳跃的鸟儿,或者一只飞翔的鸟儿时,很明显,在我们的技术能够达到这些动物的复杂潜力之前,我们还有很长的路要走,无论是在效率还是控制的运动能力方面, “威廉罗德里克说,他是Lentink实验室机械工程专业的研究生,也是工程学院院长Mark Cutkosky的实验室。

“通过研究已经发展了数百万年的自然系统,我们可以在构建具有前所未有能力的系统方面取得巨大进展。”研究人员在研究中使用的栖息地不是您的平均宠物商店库存。研究人员将它们纵向分成两部分,与鹦鹉脚的中心大致对齐。就鸟类而言,栖息地感觉就像一个分支,但每一个都坐在它自己的6轴力/扭矩传感器的顶上。

这意味着研究人员可以捕捉鸟类在多个方向上施加在鲈鱼身上的总力量以及这些力量在两半之间的差异 – 这表明鸟类在挤压时有多么困难。

 

在鸟类拍到各种大小,柔软和滑溜的所有九个力感应栖息地之后,该小组开始分析着陆的第一阶段。比较不同的栖息地表面,他们期望看到鸟类接近栖息地的方式和它们降落的力量的差异,但这不是他们发现的。

“当我们第一次处理所有关于进近速度的数据和当鸟落地时的力量时,我们没有看到任何明显的差异,”Chin说。“但后来我们开始研究脚和爪子的运动学 – 他们如何移动那些的细节 – 并发现他们适应它们以坚持着陆。”

鸟类包裹脚趾和卷曲爪子的程度取决于它们在着陆时遇到的情况。在粗糙或松软的表面上 – 例如中型泡沫,砂纸和粗糙的木头 – 它们的脚可以产生很高的挤压力,而它们的爪子几乎没有帮助。

在最难掌握的栖息地 – 牙线 – 丝绸木头,铁氟龙和大桦树 – 鸟儿更多地蜷缩着它们的爪子,沿着栖息地表面拖动它们直到它们有稳固的基础。

这种可变夹具表明,当建造机器人降落在各种表面上时,研究人员可以将接近着陆的控制与成功着陆所需的动作分开。他们的测量还表明,鸟类可以在1到2毫秒内将它们的爪子从一个可抓握的凹凸或凹坑重新定位到另一个。(为了比较,人类需要大约100到400毫秒才能闪烁。)

研究人员已经开始描述鹦鹉从不同表面起飞的特征。结合他们以前的工作探索鹦鹉如何导航他们的环境,该小组希望这些发现可以导致更灵活的飞行机器人。“如果我们能够应用我们学到的所有东西,我们就可以开发出双峰机器人,可以在各种不同的环境中过渡到空中,并增加我们今天所拥有的空中机器人的多功能性,”。

“我感兴趣的这项工作的一个应用就是拥有可以作为一个小型科学家团队的栖息机器人,这些科学家可以自主地进行森林或丛林的实地研究,”他说。

“我非常喜欢从工程学的基础知识中汲取经验,并将它们应用到新的领域,以突破以前所取得的成就和已知的局限。”

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