Des ingénieurs créent un robot ressemblant à un oiseau perché

“Il n’est pas facile d’imiter la façon dont les oiseaux volent et se perchent”, a déclaré William Roderick, PhD ’20, qui était étudiant diplômé dans les deux laboratoires. “Après des millions d’années d’évolution, ils rendent le décollage et l’atterrissage si faciles, même parmi toute la complexité et la variabilité des branches d’arbres que vous trouveriez dans une forêt.”

Des années d’études sur les robots inspirés des animaux dans le Cutkosky Lab et sur les robots aériens inspirés des oiseaux dans le Lentink Lab ont permis aux chercheurs de construire leur propre robot perchoir, détaillé dans un article publié le 1er décembre dans Robotique scientifique. Lorsqu’ils sont attachés à un drone quadricoptère, leur “préhension aérienne stéréotypée inspirée de la nature”, ou SNAG, forme un robot qui peut voler, attraper et transporter des objets et se percher sur diverses surfaces. Montrant la polyvalence potentielle de ce travail, les chercheurs l’ont utilisé pour comparer différents types d’arrangements d’orteils d’oiseaux et pour mesurer les microclimats dans une forêt isolée de l’Oregon.

Un robot oiseau dans la forêt

Dans les études précédentes des chercheurs sur les perroquets – la deuxième plus petite espèce de perroquet – les petits oiseaux volaient entre des perchoirs spéciaux tout en étant enregistrés par cinq caméras à grande vitesse. Les perchoirs – représentant une variété de tailles et de matériaux, y compris le bois, la mousse, le papier de verre et le téflon – contenaient également des capteurs qui captaient les forces physiques associées aux atterrissages, perchages et décollages des oiseaux.

“Ce qui nous a surpris, c’est qu’ils ont effectué les mêmes manœuvres aériennes, quelles que soient les surfaces sur lesquelles ils atterrissaient”, a déclaré Roderick, auteur principal de l’article. “Ils laissent les pieds gérer la variabilité et la complexité de la texture de surface elle-même.” Ce comportement stéréotypé observé dans chaque atterrissage d’oiseau est la raison pour laquelle le “S” dans SNAG signifie “stéréotypé”.

Tout comme les perroquets, SNAG aborde chaque atterrissage de la même manière. Mais, pour tenir compte de la taille du quadricoptère, SNAG est basé sur les pattes d’un faucon pèlerin. Au lieu d’os, il a une structure imprimée en 3D – qui a nécessité 20 itérations pour être perfectionnée – et des moteurs et une ligne de pêche remplacent les muscles et les tendons.

Chaque jambe a son propre moteur pour se déplacer d’avant en arrière et un autre pour gérer la préhension. Inspiré de la façon dont les tendons s’enroulent autour de la cheville chez les oiseaux, un mécanisme similaire dans la jambe du robot absorbe l’énergie d’impact à l’atterrissage et la convertit passivement en force de préhension. Le résultat est que le robot dispose d’un embrayage particulièrement puissant et à grande vitesse qui peut être déclenché pour se fermer en 20 millisecondes. Une fois enroulé autour d’une branche, les chevilles de SNAG se verrouillent et un accéléromètre sur le pied droit signale que le robot a atterri et déclenche un algorithme d’équilibrage pour le stabiliser.

Pendant COVID-19, Roderick a déplacé du matériel, y compris une imprimante 3D, du laboratoire de Lentink à Stanford vers l’Oregon rural où il a installé un laboratoire au sous-sol pour des tests contrôlés. Là, il a envoyé SNAG le long d’un système de rails qui a lancé le robot sur différentes surfaces, à des vitesses et orientations prédéfinies, pour voir comment il se comportait dans divers scénarios. Avec SNAG maintenu en place, Roderick a également confirmé la capacité du robot à attraper des objets lancés à la main, y compris une proie factice, un sac de haricots en forme de trou de maïs et une balle de tennis. Enfin, Roderick et SNAG se sont aventurés dans la forêt voisine pour quelques essais dans le monde réel.

Dans l’ensemble, SNAG a si bien fonctionné que les prochaines étapes de développement se concentreraient probablement sur ce qui se passe avant l’atterrissage, comme l’amélioration de la conscience de la situation et du contrôle de vol du robot.

Retour à la nature

Il existe d’innombrables applications possibles pour ce robot, y compris la recherche et le sauvetage et la surveillance des incendies de forêt ; il peut également être rattaché à d’autres technologies que les drones. La proximité de SNAG avec les oiseaux permet également un aperçu unique de la biologie aviaire. Par exemple, les chercheurs ont utilisé le robot avec deux orteils différents : l’anisodactyle, qui a trois orteils à l’avant et un à l’arrière, comme un faucon pèlerin, et le zygodactyle, qui a deux orteils à l’avant et deux à l’arrière, comme un perroquet. . Ils ont constaté, à leur grande surprise, qu’il y avait très peu de différence de performances entre les deux.

Pour Roderick, dont les parents sont tous deux biologistes, l’une des applications possibles les plus intéressantes pour SNAG est la recherche environnementale. À cette fin, les chercheurs ont également attaché un capteur de température et d’humidité au robot, que Roderick a utilisé pour enregistrer le microclimat de l’Oregon.

“Une partie de la motivation sous-jacente de ce travail était de créer des outils que nous pouvons utiliser pour étudier le monde naturel”, a déclaré Roderick. “Si nous pouvions avoir un robot capable d’agir comme un oiseau, cela pourrait ouvrir de toutes nouvelles façons d’étudier l’environnement.”

Lentink, qui est l’auteur principal de l’article, a salué la persévérance de Roderick dans ce qui s’est avéré être un projet de plusieurs années. “C’est vraiment Will qui a parlé avec plusieurs écologistes à Berkeley il y a six ans, puis écrit sa bourse NSF sur les robots aériens perchés pour la surveillance de l’environnement qui a lancé cette recherche”, a déclaré Lentink. “La recherche de Will s’est avérée opportune car il y a maintenant un XPRIZE de 10 millions de dollars pour ce défi de surveillance de la biodiversité dans les forêts tropicales.”

Mark Cutkosky, co-auteur de cet article, est professeur Fletcher Jones à la School of Engineering et membre de Stanford Bio-X et du Wu Tsai Neurosciences Institute. David Lentink est co-président du groupe Biomimetics et professeur agrégé de sciences et d’ingénierie à l’Université de Groningen aux Pays-Bas.

Cette recherche a été financée par l’Air Force Office of Scientific Research et la National Science Foundation.