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Ingenieros crean un robot parecido a un pájaro posado

19 de enero de 2022

Como los copos de nieve, no hay dos ramas iguales. Pueden diferir en tamaño, forma y textura; algunos pueden estar mojados o cubiertos de musgo o llenos de retoños. Y, sin embargo, las aves pueden aterrizar en casi cualquiera de ellos. Esta capacidad fue de gran interés para los laboratorios de los ingenieros de la Universidad de Stanford, Mark Cutkosky y David Lentink, ahora en la Universidad de Groningen en los Países Bajos, que han desarrollado tecnologías inspiradas en las habilidades de los animales.

«No es fácil imitar cómo las aves vuelan y se posan», dijo William Roderick, PhD ’20, quien era estudiante de posgrado en ambos laboratorios. «Después de millones de años de evolución, hacen que el despegue y el aterrizaje parezcan tan fáciles, incluso entre toda la complejidad y variabilidad de las ramas de los árboles que encontrarías en un bosque».

Años de estudio sobre robots inspirados en animales en Cutkosky Lab y en robots aéreos inspirados en aves en Lentink Lab permitieron a los investigadores construir su propio robot para posarse, detallado en un artículo publicado el 1 de diciembre en ciencia robótica. Cuando se conecta a un dron cuadricóptero, su «agarrador aéreo estereotipado inspirado en la naturaleza», o SNAG, forma un robot que puede volar, atrapar y transportar objetos y posarse en varias superficies. Al mostrar la versatilidad potencial de este trabajo, los investigadores lo utilizaron para comparar diferentes tipos de arreglos de dedos de pájaros y para medir microclimas en un bosque remoto de Oregón.

Un robot pájaro en el bosque.


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En estudios previos de los investigadores sobre loros, la segunda especie de loro más pequeña, las diminutas aves volaban de un lado a otro entre perchas especiales mientras eran registradas por cinco cámaras de alta velocidad. Las perchas, que representan una variedad de tamaños y materiales, que incluyen madera, espuma, papel de lija y teflón, también contenían sensores que capturaban las fuerzas físicas asociadas con los aterrizajes, perchas y despegues de las aves.

«Lo que nos sorprendió fue que hicieron las mismas maniobras aéreas, sin importar en qué superficies aterrizaban», dijo Roderick, autor principal del artículo. «Dejan que los pies manejen la variabilidad y complejidad de la textura de la superficie». Este comportamiento formulado que se ve en cada aterrizaje de aves es la razón por la cual la «S» en SNAG significa «estereotipado».

Al igual que los papagayos, SNAG se acerca a cada aterrizaje de la misma manera. Pero, para tener en cuenta el tamaño del cuadricóptero, SNAG se basa en las patas de un halcón peregrino. En lugar de huesos, tiene una estructura impresa en 3D, que necesitó 20 iteraciones para perfeccionarse, y motores y hilo de pescar sustituyen a los músculos y tendones.

Cada pata tiene su propio motor para moverse hacia adelante y hacia atrás y otro para manejar el agarre. Inspirado en la forma en que los tendones se enrutan alrededor del tobillo en las aves, un mecanismo similar en la pierna del robot absorbe la energía del impacto del aterrizaje y la convierte pasivamente en fuerza de agarre. El resultado es que el robot tiene un embrague especialmente fuerte y de alta velocidad que puede activarse para cerrarse en 20 milisegundos. Una vez envuelto alrededor de una rama, los tobillos de SNAG se bloquean y un acelerómetro en el pie derecho informa que el robot ha aterrizado y activa un algoritmo de equilibrio para estabilizarlo.

Durante el COVID-19, Roderick trasladó equipos, incluida una impresora 3D, del laboratorio de Lentink en Stanford a la zona rural de Oregón, donde instaló un laboratorio en el sótano para realizar pruebas controladas. Allí, envió SNAG a lo largo de un sistema de rieles que lanzó el robot en diferentes superficies, a velocidades y orientaciones predefinidas, para ver cómo se desempeñaba en varios escenarios. Con SNAG en su lugar, Roderick también confirmó la capacidad del robot para atrapar objetos lanzados con la mano, incluido un muñeco de presa, una bolsa de frijoles y una pelota de tenis. Por último, Roderick y SNAG se aventuraron en el bosque cercano para realizar algunas pruebas en el mundo real.

En general, SNAG se desempeñó tan bien que los próximos pasos en el desarrollo probablemente se centrarían en lo que sucede antes de aterrizar, como mejorar la conciencia situacional y el control de vuelo del robot.

De vuelta a la naturaleza

Existen innumerables aplicaciones posibles para este robot, que incluyen búsqueda y rescate y monitoreo de incendios forestales; también se puede conectar a tecnologías distintas de los drones. La proximidad de SNAG a las aves también permite una visión única de la biología aviar. Por ejemplo, los investigadores hicieron funcionar el robot con dos dedos diferentes: anisodáctilo, que tiene tres dedos al frente y uno atrás, como un halcón peregrino, y zigodáctilo, que tiene dos dedos al frente y dos atrás, como un loro. . Descubrieron, para su sorpresa, que había muy poca diferencia de rendimiento entre los dos.

Para Roderick, cuyos padres son biólogos, una de las posibles aplicaciones más emocionantes de SNAG es la investigación ambiental. Con ese fin, los investigadores también conectaron un sensor de temperatura y humedad al robot, que Roderick usó para registrar el microclima en Oregón.

«Parte de la motivación subyacente de este trabajo fue crear herramientas que podamos usar para estudiar el mundo natural», dijo Roderick. «Si pudiéramos tener un robot que pudiera actuar como un pájaro, eso podría desbloquear formas completamente nuevas de estudiar el medio ambiente».

Lentink, autor principal del artículo, elogió la persistencia de Roderick en lo que resultó ser un proyecto de años. «Realmente fue Will hablando con varios ecologistas en Berkeley hace seis años y luego escribiendo su NSF Fellowship sobre robots aéreos posados ​​para el monitoreo ambiental lo que lanzó esta investigación», dijo Lentink. «La investigación de Will ha demostrado ser oportuna porque ahora hay un XPRIZE de 10 millones de dólares para este desafío de monitorear la biodiversidad en las selvas tropicales».

Mark Cutkosky, coautor de este artículo, es profesor Fletcher Jones en la Escuela de Ingeniería y miembro de Stanford Bio-X y el Instituto de Neurociencias Wu Tsai. David Lentink es copresidente del grupo de Biomimética y profesor asociado de ciencia e ingeniería en la Universidad de Groningen en los Países Bajos.

Esta investigación fue financiada por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea y la Fundación Nacional de Ciencias.