01.帶爪無人機飛入森林能抓沙袋能接球

12 月 3 日報道，12 月 1 日，斯坦福大學的一項新成果登上國際學術頂刊《科學》的子刊《科學機器人學》封面研究人員受鳥類啟發，研發出一款名為 SNAG 的自動機器腳爪，可以使無人機能夠在復雜的表面起飛和降落，并捕捉空中的物體

多年來，無人機已經可以在天空上自由飛行，卻并沒有掌握穩定的著陸能力，經常栽跟頭鳥類幾乎可以用腳爪纏住任何東西，掠過海浪尖的鵜鶘可以突然降落在碼頭的樁上，貓頭鷹能以 64km/h 的速度俯沖下抓住一只老鼠，這為斯坦福大學的研究人員帶來了啟迪

他們以一種名為游隼的猛禽為參照，采用 3D 打印的方式打造了這款名為 SNAG機器腳爪它可以助一個無人機鎖定與它們接觸的任何東西，無論是可以棲息的樹枝，還是空中拋落的球體未來有一天，它可能使無人機飛到任何地方，甚至成為能捕獵的無人機

論文鏈接:

01.帶爪無人機飛入森林 能抓沙袋能接球

世界上沒有兩片相同的雪花，樹枝也是一樣，每根樹枝的大小，形狀和質地存在差異，比如有些可能是濕潤的，或長滿了苔蘚，或有分叉不過，鳥類落在樹枝上時，不受這些樹枝情況的影響，哪里都可以著陸

斯坦福大學工程師馬克卡特科斯基和大衛倫廷克實驗室的研究人員對鳥類的著陸能力非常感興趣倫廷克說:對于我們來說，有個想法很鼓舞人心 —— 如果設計不同的起落架，機器人就可以在任何地方著陸

于是，兩個實驗室的研究人員共同為空中機器人開發了一種自動機器腳爪，名為 SNAG像真實的鳥類一樣，SNAG 每次都以相同的方式靠近物體并著陸

SNAG 能夠成功抓握住空中的豆袋和網球，并在觸發時以受控方式釋放它們論文提到，其腳和物體之間的速度差約為 5 m/s，與大多數猛禽的動態捕捉行為相比，這是小到中等水平要知道，豆袋和網球都具有與游隼獵物相似的大小和重量

最后，羅德里克帶著 SNAG 進入附近的森林，在現實世界中，進行一些試運行團隊發現動態鳥類進近過程中盡管腳部誤差很大，但仍能實現穩健的近水平著陸

總體而言，SNAG 表現非常好，對其的下一步開發可能會集中在著陸前的動作優化上，例如提高機器人的態勢感知和飛行控制能力。

02.比照真鳥 3D 打印，實現兩大機制

SNAG 的設計靈感來自鳥類后肢的功能解剖結構，包含一個受鳥類啟發的雙足足部和腿部系統，質量約為 250g。

在眾多鳥類中，游隼的腿長和腿重在鳥類中具備普遍性，且可以每小時 200 英里的速度俯沖，并用爪子抓住其他鳥類SNAG 的腿長尺寸，腳趾長度和爪子大小都是等比例參照兩只 750g 的游隼，經過 3D 打印而來

為了讓更好地把握鳥類特征，研究人員曾對世界第二小的鸚鵡物種進行研究，包括同時用 5 個高速攝像機記錄這些矮小鳥類在特殊棲木上來回飛行的動作，還使用傳感器，捕獲鳥類著陸，棲息和起飛相關的物理力的數據。

鳥腿和腳趾的剛性結構由骨骼和軟骨組成，通過韌帶連接在一起，并通過肌腱連接由肌肉驅動類似地，SNAG 機器爪的剛性結構由硬塑料制成，抓取動作由一種人造肌腱和串聯彈簧驅動，每條腿由一個電機驅動

更進一步來看，SNAG 主要參考了真實游隼的兩個關鍵運動機制，分別稱為數字屈肌機制和肌腱鎖定機制。。

DFM 是一種類似鳥類降落站定時，降低沖擊力的機制也就是鳥腿降落中通過折疊的動作，沖擊力可以被轉化為更加強大的抓握力SNAG 則通過肌腱彈簧拉伸，被動吸收沖擊力，轉而獲得比電機驅動的更大抓握力

再看看 TLM，這在鳥類的運動中是在每個腳趾肌腱相互作用下鎖定住抓握狀態，防止回彈的機制SNAG 將 TLM 模擬物與腳踝鎖定棘輪結合在一起，使 SNAG 能夠在腿部折疊時保持來自 DFM 的額外抓地力的同時，防止回彈，從而讓動作更穩

為了更加還原真實鳥類的抓握能力，SNAG 可以說在很多細節上都高度還原了鳥類結構比如，與鳥類腳爪類似的是，SNAG 的腳設有趾墊產生的摩擦，并且被指爪半包裹著，使 SNAG 可靠地掌握復雜的表面并保持牢固

03.可用于搜索，救援 讓無人機更省電

實驗室團隊人員威廉羅德里克說:模仿鳥類的飛行和休息方式并不容易鳥類經歷了數百萬年進化，這使鳥類看上去很容易完成起飛和著陸，即使森林中的樹枝形態復雜，多變

如果技術落地，SNAG 將有無數種可能的應用，包括搜索，救援和野火監測等等，它也可以添加到無人機以外的應用上SNAG 還可以應用于環境研究，在進入森林的實驗中，研究人員在機器人上安裝了一個溫度和濕度傳感器，羅德里克用他來記錄實驗地俄勒岡州的小氣候

羅德里克說:這項工作的部分潛在動機是創造我們可以用來研究自然界的工具，如果我們能擁有一個像鳥一樣行動的機器人，那將開啟環境研究的全新方式。2021珠海航展今天正式開幕，中國航天科技集團公司等單位參展，帶來了火箭，無人機，武器等一大批新裝備。

SNAG 仍存在局限性，那就是它不是自主的為了進行這些實驗，飛行員必須遠程控制機器人不過，倫廷克和他的同事們正在研究一種方法，讓機器人定位樹枝，計算如何接近它，并自行著陸

SNAG 并不是第一款帶腿的飛行器，在 2019 年，加州理工學院的 LEg ON Aerial Robotic DrOne已首次亮相，它的四肢可以使它在地面上休息，旨在更好地探索火星SNAG 和 Leonardo 都在追求同一件事:能源效率，因為將無人機懸停在適當位置以監視區域會迅速耗盡電池電量

04.結語:仿生機器人發展迅速 仍面臨自動化難題

在鳥類的啟迪下，研究人員為無人機裝上了腳爪，實現在不平坦環境下的順利降落，甚至進化為捕手背后，不僅是對鳥類腿和爪的結構的復制，更是對其中運動機制的借鑒，需要大量的數據收集和實地試驗

最近幾年來，仿生機器人成為越來越熱門的方向，無論是機器狗，機器魚還是現在模仿鳥類的機器爪，都在解決很多機器人運動的難題但與此同時，這些仿生類機器設備很多仍難實現自主化地運動，有目地自主執行任務，仍需要研究人員進一步探究