Stanford Engineers Membuat Robot Bertengger Seperti Burung

Seperti kepingan salju, tidak ada dua cabang yang sama. Mereka dapat berbeda dalam ukuran, bentuk, dan tekstur; beberapa mungkin basah atau tertutup lumut atau penuh dengan cabang. Namun burung dapat mendarat di hampir semua dari mereka. Kemampuan ini sangat menarik bagi laboratorium insinyur Universitas Stanford Mark Cutkosky dan David Lentink — sekarang di Universitas Groningen di Belanda — yang keduanya mengembangkan teknologi yang terinspirasi oleh kemampuan hewan.

“Tidak mudah meniru cara burung terbang dan hinggap,” kata William Roderick, PhD '20, yang merupakan mahasiswa pascasarjana di kedua lab tersebut. “Setelah jutaan tahun evolusi, mereka membuat lepas landas dan mendarat terlihat begitu mudah, bahkan di antara semua kompleksitas dan variabilitas cabang pohon yang akan Anda temukan di hutan.”

Studi bertahun-tahun tentang robot yang diilhami hewan di Lab Cutkosky dan robot udara yang diilhami burung di Lab Lentink memungkinkan para peneliti untuk membangun robot bertengger mereka sendiri. Saat dipasang pada drone quadcopter, “penggenggam udara yang terinspirasi alam stereotip”, atau SNAG, membentuk robot yang dapat terbang, menangkap, dan membawa benda dan hinggap di berbagai permukaan. Menunjukkan potensi keserbagunaan dari pekerjaan ini, para peneliti menggunakannya untuk membandingkan berbagai jenis susunan kaki burung dan untuk mengukur iklim mikro di hutan Oregon yang terpencil.

Dalam penelitian sebelumnya para peneliti tentang burung beo - spesies burung beo terkecil kedua - burung kecil terbang bolak-balik di antara tempat bertengger khusus, sambil direkam oleh lima kamera berkecepatan tinggi. Tempat bertengger — mewakili berbagai ukuran dan bahan, termasuk kayu, busa, amplas, dan Teflon — juga berisi sensor yang menangkap kekuatan fisik yang terkait dengan pendaratan, bertengger, dan lepas landas burung.

“Yang mengejutkan kami adalah mereka melakukan manuver udara yang sama, tidak peduli di permukaan apa mereka mendarat,” kata Roderick, penulis utama makalah tersebut. “Mereka membiarkan kaki menangani variabilitas dan kompleksitas tekstur permukaan itu sendiri.” Perilaku formula yang terlihat di setiap pendaratan burung adalah mengapa "S" di SNAG adalah singkatan dari "stereotyped."

Sama seperti burung beo, SNAG mendekati setiap pendaratan dengan cara yang sama. Tapi, untuk memperhitungkan ukuran quadcopter, SNAG didasarkan pada kaki elang peregrine. Sebagai pengganti tulang, ia memiliki struktur cetak 3D — yang membutuhkan 20 iterasi hingga sempurna — dan motor serta tali pancing menggantikan otot dan tendon.

Setiap kaki memiliki motor sendiri untuk bergerak maju mundur dan satu lagi untuk menangani menggenggam. Terinspirasi oleh cara tendon melilit pergelangan kaki pada burung, mekanisme serupa di kaki robot menyerap energi tumbukan pendaratan dan secara pasif mengubahnya menjadi kekuatan menggenggam. Hasilnya adalah robot memiliki kopling yang sangat kuat dan berkecepatan tinggi yang dapat dipicu untuk menutup dalam 20 milidetik. Setelah melilit cabang, pergelangan kaki SNAG mengunci dan akselerometer di kaki kanan melaporkan bahwa robot telah mendarat dan memicu algoritme penyeimbang untuk menstabilkannya.

Selama COVID-19, Roderick memindahkan peralatan, termasuk printer 3D, dari lab Lentink di Stanford ke pedesaan Oregon tempat ia mendirikan laboratorium bawah tanah untuk pengujian terkontrol. Di sana, ia mengirim SNAG di sepanjang sistem rel yang meluncurkan robot di permukaan yang berbeda, pada kecepatan dan orientasi yang telah ditentukan, untuk melihat bagaimana kinerjanya dalam berbagai skenario. Dengan menahan SNAG, Roderick juga mengkonfirmasi kemampuan robot untuk menangkap benda-benda yang dilemparkan dengan tangan, termasuk boneka mangsa, kantong kacang lubang jagung, dan bola tenis. Terakhir, Roderick dan SNAG berkelana ke hutan terdekat untuk beberapa uji coba di dunia nyata.

Secara keseluruhan, SNAG berkinerja sangat baik sehingga langkah pengembangan selanjutnya kemungkinan akan berfokus pada apa yang terjadi sebelum mendarat, seperti meningkatkan kesadaran situasional robot dan kontrol penerbangan.

Aplikasi

Ada banyak kemungkinan aplikasi untuk robot ini, termasuk pencarian dan penyelamatan dan pemantauan kebakaran; itu juga dapat dilampirkan ke teknologi selain drone. Kedekatan SNAG dengan burung juga memungkinkan wawasan unik tentang biologi unggas. Misalnya, para peneliti menjalankan robot dengan dua pengaturan jari kaki yang berbeda - anisodactyl, yang memiliki tiga jari di depan dan satu di belakang, seperti elang peregrine, dan zygodactyl, yang memiliki dua jari di depan dan dua di belakang, seperti burung beo. Mereka menemukan, secara mengejutkan, bahwa ada perbedaan kinerja yang sangat kecil di antara keduanya.

Untuk Roderick, yang kedua orang tuanya adalah ahli biologi, salah satu aplikasi yang paling menarik untuk SNAG adalah dalam penelitian lingkungan. Untuk itu, para peneliti juga memasang sensor suhu dan kelembaban pada robot, yang digunakan Roderick untuk merekam iklim mikro di Oregon.

“Bagian dari motivasi yang mendasari pekerjaan ini adalah untuk menciptakan alat yang dapat kita gunakan untuk mempelajari alam,” kata Roderick. “Jika kita bisa memiliki robot yang bisa bertindak seperti burung, itu bisa membuka cara baru untuk mempelajari lingkungan.”