Onder het toeziend oog van vijf hogesnelheidscamera's, een kleine, lichtblauwe vogel genaamd Gary wacht op het signaal om te vliegen. Diana Kin, een afgestudeerde student aan Stanford University en Gary's trainer, wijst met haar vinger naar een baars op ongeveer 20 centimeter afstand. De vangst hier is dat de baars is bedekt met teflon, waardoor het schijnbaar onmogelijk is om stabiel te grijpen.

Gary's succesvolle landing op de teflon - en op andere zitstokken van verschillende materialen - leert onderzoekers hoe ze machines kunnen maken die landen als een vogel.

"Moderne luchtrobots hebben meestal een landingsbaan of een plat oppervlak nodig om gemakkelijk te kunnen opstijgen en landen. Voor een vogel, bijna overal is een potentiële landingsplaats, zelfs in steden, " zei Chin, die deel uitmaakt van het lab van David Lentink, universitair docent werktuigbouwkunde. "We wilden echt begrijpen hoe ze dat bereiken en de dynamiek en krachten die daarbij komen kijken."

Zelfs de meest geavanceerde robots komen bij lange na niet in de buurt van het grijpvermogen van dieren bij het omgaan met objecten van verschillende vormen, maten en texturen. Dus, de onderzoekers verzamelden gegevens over hoe Gary en twee andere vogels op verschillende soorten oppervlakken landen, waaronder een verscheidenheid aan natuurlijke zitstokken en kunstmatige zitstokken bedekt met schuim, schuurpapier en teflon.

"Dit is niet anders dan een Olympische turnster te vragen om op met teflon bedekte hoge staven te landen zonder hun handen te krijten, " zei Lentink, wie is senior auteur van het artikel. Nog, de papegaaitjes maakten wat voor een mens bijna onmogelijk lijkt, moeiteloos.

Het onderzoek van de groep, gepubliceerd 6 aug. in eLife , omvatte ook gedetailleerde studies van de wrijving veroorzaakt door de klauwen en voeten van de vogels. Van dit werk, de onderzoekers ontdekten dat het geheim van de veelzijdigheid van de papegaai in de greep zit.

"Als we kijken naar iemand die rent, een eekhoorn die springt of een vogel die vliegt, het is duidelijk dat we nog een lange weg te gaan hebben voordat onze technologie het complexe potentieel van deze dieren kan bereiken, zowel in termen van efficiëntie als gecontroleerde atletiek, zei Willem Roderick, een afgestudeerde student werktuigbouwkunde in het Lentink lab en lab van Mark Cutkosky, de Fletcher Jones-leerstoel in de School of Engineering. "Door natuurlijke systemen te bestuderen die zich in de loop van miljoenen jaren hebben ontwikkeld, we kunnen enorme vooruitgang boeken in de richting van het bouwen van systemen met ongekende mogelijkheden."

(Niet)plakken van de overloop

De zitstokken in dit onderzoek waren niet je gemiddelde dierenwinkelvoorraad. De onderzoekers splitsten ze in tweeën, lengte, op het punt dat ongeveer uitgelijnd is met het midden van de voet van een papegaai. Wat de vogel betreft, de zitstokken voelden aan als een enkele tak, maar elke helft zat bovenop zijn eigen 6-assige kracht / koppelsensor. Dit betekende dat de onderzoekers de totale krachten konden vastleggen die de vogel in veel richtingen op de baars uitoefende en hoe die krachten verschilden tussen de helften - wat aangaf hoe hard de vogels knijpen.

Nadat de vogels naar alle negen krachtgevoelige zitstokken van verschillende grootte waren gefladderd, zachtheid en gladheid, de groep begon de eerste fasen van de landing te analyseren. Verschillende zitstokken vergelijken, ze verwachtten verschillen te zien in hoe de vogels de baars naderden en de kracht waarmee ze landden, maar dat is niet wat ze vonden.

"Toen we voor het eerst al onze gegevens over de naderingssnelheid en de krachten toen de vogel landde, verwerkten, we zagen geen duidelijke verschillen, "Chin herinnerde zich. "Maar toen begonnen we de kinematica van de voeten en klauwen te onderzoeken - de details van hoe ze die bewogen - en ontdekten dat ze ze aanpasten om de landing vast te houden."

De mate waarin de vogels hun tenen wikkelden en hun klauwen krulden, varieerde afhankelijk van wat ze tegenkwamen bij de landing. Op ruwe of zachte oppervlakken, zoals het middelgrote schuim, schuurpapier en ruwe houten zitstokken - hun voeten konden hoge drukkrachten genereren met weinig hulp van hun klauwen. Op zitstokken die het moeilijkst vast te pakken waren - het floss-zijdehout, Teflon en grote berk - de vogels krulden hun klauwen meer, door ze over het zitstokoppervlak te slepen totdat ze stevig op de grond stonden.

Deze variabele grip suggereert dat, bij het bouwen van robots om op verschillende oppervlakken te landen, onderzoekers konden de controle van de naderende landing scheiden van de acties die nodig zijn voor een succesvolle landing.

Hun metingen toonden ook aan dat de vogels in staat zijn om hun klauwen in slechts 1 tot 2 milliseconden van de ene grijpbare bult of put naar de andere te verplaatsen. (Ter vergelijking, het duurt een mens ongeveer 100 tot 400 milliseconden om te knipperen.)

Vogels en bots

De laboratoria van Cutkosky en Lentink zijn al begonnen met het karakteriseren van hoe papegaaitjes opstijgen van de verschillende oppervlakken. Gecombineerd met hun eerdere werk om te onderzoeken hoe papegaaien door hun omgeving navigeren, de groep hoopt dat de bevindingen kunnen leiden tot meer wendbare vliegende robots.

"Als we alles wat we leren kunnen toepassen, we kunnen bimodale robots ontwikkelen die in een breed scala van verschillende omgevingen van en naar de lucht kunnen schakelen en de veelzijdigheid van luchtrobots die we vandaag hebben vergroten, ' zei Chin.

Tegen dat doel, Roderick werkt aan het ontwerpen van mechanismen die de aangrijpende vorm en fysica van de vogels zouden nabootsen.

"Een toepassing van dit werk waarin ik geïnteresseerd ben, is het hebben van neerstrijkende robots die kunnen fungeren als een team van kleine wetenschappers die opnames maken, autonoom, voor veldonderzoek in bossen of oerwouden, "Zei Roderick. "Ik geniet er echt van om te putten uit de fundamenten van techniek en deze toe te passen op nieuwe gebieden om de grenzen te verleggen van wat eerder is bereikt en wat bekend is."