Latanie bezzałogowym statkiem powietrznym (UAV), takim jak drony lub quadkoptery, jest ekscytującym doświadczeniem, ale bezpieczniejsze lądowanie nie jest zabawne, zwłaszcza gdy te UAV są przeznaczone do operacji wojskowych i kosztują miliony dolarów.
Obecne UAV są nieco restrykcyjne, ponieważ mają stałe i sztywne skrzydła, które zmniejszają elastyczność latania. Aby rozszerzyć działanie obecnych bezzałogowych statków powietrznych ze stałymi skrzydłami, naukowcy przeprowadzili w przeszłości kilka eksperymentów ze zmiennokształtnymi strukturami skrzydeł, inspirowanymi ptakami, wykorzystali algorytmy uczenia maszynowego, aby nauczyć się kontrolera lotu, korzystając z inspiracji z natury.
Zespół naukowców z Bristol University i BMT Defense Services użył standardowego samolotu RC o unikalnym kształcie skrzydła. Jak pokazano na poniższym filmie, skrzydło może zmieniać swój kształt podczas lotu, umożliwiając systemowi kołysanie się podczas lądowania, jak ptak zbliżający się do jego grzędy. To zmiennokształtne skrzydło wzbija się w powietrze, nieznacznie popycha UAV w górę, a następnie po znacznie ostrzejszej i krótszej ścieżce. Niestety, naukowcom nie udało się udoskonalić chwytaków, aby zastąpić podwozie, ale całkiem dobrze ograniczyli ruch pikowania.
Aby rozwiązać tę zagadkę i stworzyć roboty powietrzne, które lądują jak ptak, naukowcy ze Stanford badają ptaki za pomocą pięciu szybkich kamer. Doktorantka Diana Chin wykorzystuje do swoich badań małego, jasnoniebieskiego ptaka o imieniu Gary. Kiedy Diana wskazuje palcem, Gary leci do okonia pokrytego teflonem, przez co pozornie niemożliwe jest jego trzymanie. Udane lądowanie Gary'ego na teflonie – i innych biegunach z różnych materiałów – uczy badaczy, jak tworzyć maszyny, które lądują jak ptak.
„Nowoczesne roboty powietrzne zwykle wymagają pasa startowego lub płaskiej powierzchni, aby ułatwić start i lądowanie. Dla ptaka potencjalne miejsce lądowania znajduje się prawie wszędzie, nawet w miastach. Chcieliśmy zrozumieć, w jaki sposób to osiąga się, a także dynamikę i siły wchodzące w grę” – powiedział Chin, adiunkt inżynierii mechanicznej.
Nawet najbardziej zaawansowane roboty nie zbliżają się do zdolności zwierząt do chwytania obiektów o różnych kształtach, rozmiarach i fakturach. Dlatego naukowcy zebrali dane dotyczące lądowania Gary'ego i dwóch innych ptaków na różnych powierzchniach, które obejmują różne naturalne i sztuczne okonie pokryte pianką, papierem ściernym i teflonem.
Badania, opublikowane w eLife 6 sierpnia, obejmują szczegółowe badania tarcia wytwarzanego przez pazury i nogi ptaków. Naukowcy odkryli na podstawie tej pracy, że sekret wszechstronności siadania papugi tkwi w uchwycie.
„Kiedy po raz pierwszy przetworzyliśmy nasze dane dotyczące prędkości i sił podejścia podczas lądowania ptaka, nie zauważyliśmy żadnych oczywistych różnic. Ale potem zaczęliśmy przyglądać się kinematyce stóp i pazurów – szczegółom ich poruszania – i odkryliśmy, że przystosowały je do trzymania się lądowania” – wspomina Chin.
W zależności od obserwacji podczas lądowania, stopień, w jakim ptaki owijały palce u nóg i podwijały pazury, był różny. Na szorstkich lub gąbczastych powierzchniach – takich jak średniej wielkości pianka, papier ścierny i okonie z drewna skalistego – ich nogi mogą generować duże siły ściskania przy niewielkiej pomocy pazurów. Na grzędach, które były najtrudniejsze do uchwycenia — drewnie z nici jedwabiu, teflonie i dużej brzozie — ptaki bardziej zwijały pazury, ciągnąc je po powierzchni grzędy, aż były bezpieczne.
Ten zmienny chwyt sugeruje, że naukowcy mogliby oddzielić kontrolę zbliżania się do lądowania od działań potrzebnych do udanego przyziemienia podczas budowania robotów do lądowania na różnych powierzchniach. Ich pomiary wykazały również, że ptaki mogą zmienić położenie pazurów w ciągu zaledwie 1 do 2 milisekund z jednego chwytliwego wybrzuszenia lub dołu do drugiego. (Mrugnięcie człowieka zajmuje około 100 do 400 milisekund).