斯坦福发明“长腿”无人机！等比例模仿猎鹰,空中抓球、树上栖息

斯坦福大学的一项最新成果在学术界引起了巨大的轰动。在《科学》杂志的子刊《科学·机器人学》的封面上，研究人员展示了一款名为SNAG的自动“机器脚爪”。这款独特的发明灵感来源于鸟类，特别是那些拥有强大脚爪能力的猛禽。想象一下，无人机不再只是在空中飞翔，而是能在各种复杂地形上起飞和降落，甚至捕捉空中的物体。这是多么令人惊叹的场景！

多年来，无人机技术不断进步，它们在天空中的表现越来越出色。着陆这一环节一直是无人机技术的瓶颈。它们往往无法稳定着陆，导致失败。鸟类却拥有无与伦比的着陆能力。比如鹈鹕能突然降落在码头的桩上，猫头鹰能以惊人的速度俯冲抓住猎物。这些自然界的奇迹为斯坦福大学的研究人员提供了宝贵的启示。

研究人员深受启发，他们以游隼这种猛禽为参照，运用先进的3D打印技术，精心研制出了SNAG“机器脚爪”。这款脚爪赋予了无人机前所未有的能力，无论是栖息的树枝还是空中飘动的球体，它都能牢牢锁定并与之一同行动。想象一下，未来的某一天，我们将能够使用这种无人机去到任何地方，甚至让它们像真正的猎手一样捕捉目标。这不仅是对无人机技术的一次革命，更是开启了一个全新的时代，让人类与天空的距离更近了一步。论文链接：[

一、“带爪”无人机飞入森林，能抓沙袋能接球

世界之大，每一片雪花都是独一无二的，树枝的世界也是如此。树枝的各异形态——有的湿润、长满苔藓，或是分叉丛生——对于想要稳稳着陆的鸟类来说，却从未构成阻碍。它们无论何时都能优雅地落在枝头。

斯坦福大学的工程师们对鸟类的这一着陆技巧产生了浓厚的兴趣。马克·卡特科斯基（Mark Cutkosky）和大卫·伦廷克（David Lentink）实验室的研究团队深入探究了这个问题。伦廷克曾表示：“我们受到启发，设想如果为机器人设计类似鸟类的起落架，那么机器人是否也能在任何复杂环境中稳定着陆呢？”

两大实验室的工程师们联手，为“空中机器人”量身定制了一款名为SNAG的自动“机器脚爪”。这款装置如同真实的鸟类一样，每次都能以一致的方式接近目标并实现着陆，稳稳当当地停在目标之上。无论是抓举沙袋还是接住飞来的球，SNAG都能轻松应对。SNAG成功捕捉空中的豆袋和网球，并在触发时精准且受控地释放。论文指出，SNAG与猛禽进行动态捕捉时的速度差约为5 m/s，这个速度差在猛禽捕捉猎物的过程中算是小到中等水平，考虑到豆袋和网球与游隼猎物具有相似的大小和重量。

罗德里克带着SNAG进入了附近的森林，在真实环境中进行了试运行。尽管在动态鸟类进近过程中存在脚部误差，但SNAG仍能实现稳健的近水平着陆。团队的观察发现，不论落在何种表面，鹦鹉在进行空中机动时都采取了相似的动作，这表明SNAG在处理着陆材料表面纹理的可变性和复杂性方面具有出色的能力。

二、与真鸟3D打印相比较，实现两大机制的突破

SNAG的设计灵感源于鸟类后肢的功能解剖结构，借鉴了鸟类的双足及腿部系统，重量仅为约250克。在诸多鸟类中，游隼以其特有的腿长和腿重获得了广泛的研究关注，它们能以每小时高达200英里的速度俯冲，用锐利的爪子捕捉其他鸟类。SNAG的设计巧妙地参照了游隼的腿长、脚趾长度及爪子大小，通过先进的3D打印技术精确打造。

为了更深入地了解鸟类的特征，研究者们对世界上最小的鹦鹉物种进行了深入研究。通过五个高速摄像机，研究者详细记录了这些小巧的鸟类在特殊栖木上来回飞翔的每一个动作。他们还使用了传感器技术，捕捉到了与鸟类着陆、栖息和起飞相关的物理数据。这种综合研究的方法使得研究者们能够更准确地模拟鸟类的动态行为，并将其融入到SNAG的设计中。

在对比真鸟与SNAG的3D打印过程中，我们看到了两大机制的实现：一是通过借鉴自然生物的结构与功能，将鸟类的生物学特性融入到机械设计中；二是通过先进的科技手段，如高速摄像和传感器技术，捕捉并模拟鸟类的动态行为。这种结合自然与科技的方法，使得SNAG的设计充满了创新性和前瞻性。鸟腿与脚趾的刚硬结构由骨骼和软骨紧密组合，通过韧带相互连接，并由肌肉通过肌腱驱动进行活动。同样，SNAG机器爪的坚硬结构由硬塑料精心打造。其抓取动作由人造肌腱和串联弹簧所驱动，而每条腿则由一个电机精准控制。

进一步来说，SNAG的设计深受真实游隼两种关键运动机制的启发，这两种机制分别是数字屈肌机制（DFM）和肌腱锁定机制（TLM）。

DFM是一种类似于鸟类着陆时的机制，用于减少冲击力。在鸟类的腿降落过程中，通过折叠动作，冲击力被转化为更强大的抓握力。而SNAG则通过肌腱弹簧的拉伸，被动地吸收冲击力，进而获得比电机驱动更大的抓握力。

再看TLM，它在鸟类的运动中起着关键作用，通过每个脚趾肌腱的相互作用，锁定抓握状态，防止回弹。SNAG巧妙地模拟了TLM，并将其与脚踝锁定棘轮相结合。这使得SNAG在腿部折叠时，能够保持DFM带来的额外抓地力，同时防止回弹，从而使动作更加稳定。

整个设计融合了自然与技术的精华，SNAG不仅展现了技术的力量，更展现了自然的魅力，使得这一机器爪的设计更加生动、有趣。为了真实还原鸟类的抓握能力，SNAG的设计在多个细节上均高度模仿了鸟类的生理结构。例如，SNAG的脚设计有类似于鸟类脚爪的趾垫摩擦，同时被指爪半包裹，这样的设计使得SNAG能够稳稳地抓住各种复杂表面。

三、拓展应用至搜索与救援领域，提升无人机的续航能力

实验室团队的威廉·罗德里克表示，模仿鸟类的飞行和休息方式绝非易事。经过数百万年的进化，鸟类让看似简单的起飞和着陆动作显得轻而易举，即使在树枝错综复杂、形态多变的森林环境中也是如此。

随着技术的不断进步，SNAG的应用前景十分广阔，包括搜索、救援、野火监测等领域。不仅如此，SNAG还可以被集成到无人机以外的其他应用中。在环境研究领域，SNAG也展现出了巨大的潜力。在森林实验中，研究人员在SNAG上安装了温度和湿度传感器，用以记录实验地区的小气候数据。

罗德里克进一步指出：“我们部分工作的潜在动机是创造能够研究自然界的工具。如果我们可以拥有一个像鸟一样行动的机器人，那将为环境研究带来前所未有的机会。”尽管SNAG目前仍存在局限性，比如需要飞行员的远程操控，但它仍然是一种革命性的技术，有着广泛的应用前景。随着科技的飞速发展，仿生机器人领域取得了令人瞩目的进步。在探索如何将无人机与自然环境和谐共存的过程中，研究人员不断从生物界汲取灵感。其中，SNAG和LEg ON Aerial Robotic DrOne（Leonardo）便是这一努力的杰出代表。

SNAG，这款带腿的飞行器并非首例。早在2019年，加州理工学院的Leonardo便以其四肢的独特设计首次亮相。这些四肢不仅使Leonardo能在地面上休息，更赋予了它探索火星等环境的独特能力。SNAG和Leonardo的共同追求是能源效率。因为对于无人机来说，长时间悬停以监视特定区域会迅速耗尽电池电量。

而更为引人注目的是，这些仿生机器的背后，是对鸟类腿和爪结构的深入研究与借鉴。研究人员通过对鸟类的观察，为无人机装上了“脚爪”，使其能在不平坦环境下顺利降落，甚至进化为灵活的“捕手”。这不仅是对鸟类结构的复制，更是对其运动机制的深入理解和应用。这需要大量的数据收集、实地试验以及深入的研究。

近年来，仿生机器人领域成为热门研究方向，无论是机器狗、机器鱼还是模仿鸟类的机器爪，都在不断突破机器人运动的难题。尽管取得了一系列令人振奋的进展，但这些仿生机器设备仍面临自主化运动的挑战。如何实现自主决策、自主执行任务仍是研究人员需要深入探究的问题。

结语：仿生机器人领域发展迅速，但仍面临诸多挑战。从鸟类的启示中，我们看到了仿生机器人的巨大潜力。随着技术的不断进步，我们有理由相信，未来的仿生机器人将更加智能、灵活，能够更好地适应各种环境，为人类带来更多的便利与惊喜。